KR102306880B1 - High efficiency isolated pfc converter - Google Patents

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Abstract

고효율 절연형 PFC 컨버터에 관한 것으로, 변압기, 변압기의 1차 측에 직렬로 연결되는 제1 인덕터와 제2 인덕터를 포함하는 인덕터부, 인덕터부의 양단에 각각 연결되는 주 스위치와 부 스위치를 포함하고, 입력되는 신호에 따라 스위칭하여 출력되는 전압을 제어하는 스위치부, 그리고 변압기의 2차 측에 연결되는 제1 다이오드와 제2 다이오드를 포함하는 DC-link를 포함하고, 주 스위치는 인덕터부와 입력 커패시터와 연결되고, 부 스위치는 인덕터와 클램프 커패시터와 연결된다. It relates to a high-efficiency insulated PFC converter, comprising: a transformer; an inductor unit including a first inductor and a second inductor connected in series to the primary side of the transformer; a switch unit for controlling an output voltage by switching according to an input signal, and a DC-link including a first diode and a second diode connected to the secondary side of the transformer, wherein the main switch includes an inductor unit and an input capacitor is connected to, and the negative switch is connected to the inductor and the clamp capacitor.

Description

고효율 절연형 PFC 컨버터{HIGH EFFICIENCY ISOLATED PFC CONVERTER}High efficiency isolated PFC converter {HIGH EFFICIENCY ISOLATED PFC CONVERTER}

고효율 절연형 PFC 컨버터가 제공된다.A high efficiency isolated PFC converter is provided.

일반적인 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 AC-DC 컨버터는 다이오드 브릿지, 부스트 PFC(Power Factor Correction) 컨버터, dc-dc 컨버터가 결합된 구조를 가진다. 여기서, 부스트 PFC 컨버터는 역률 제어 측면에서 높은 성능을 제공하지만 하드 스위칭 동작에 대한 스위칭 손실을 증가시켜 전력변환효율을 감소시키고 전력밀도 향상에 제약 조건으로 작용한다. 또한, 부스트 PFC 컨버터는 입력교류계통과 직접적으로 연결된 상태에서 하드 스위칭 동작으로 인해 높은 전자방해(Electro Magnetic Interference, EMI)잡음을 발생한다. An AC-DC converter that converts a general AC voltage into a DC voltage has a structure in which a diode bridge, a boost PFC (Power Factor Correction) converter, and a dc-dc converter are combined. Here, the boost PFC converter provides high performance in terms of power factor control, but increases the switching loss for a hard switching operation, thereby reducing power conversion efficiency and acting as a constraint on power density improvement. In addition, the boost PFC converter generates high electromagnetic interference (EMI) noise due to the hard switching operation in a state in which it is directly connected to the input AC system.

그리고 dc-dc 컨버터는 시스템의 전반적인 효율 향상과 입력과 부하와의 전기적 절연을 제공하기 위해 LLC(Inductor-Inductor-Capacitor)공진형 컨버터와 같은 토폴로지를 사용한다. 이에 LLC 공진형 컨버터가 소프트 스위칭을 제공하며 스위칭 손실을 최소화하면서도 전력변환효율 및 전력 밀도를 향상시킬 수 있다. And the dc-dc converter uses the same topology as the LLC (Inductor-Inductor-Capacitor) resonant converter to improve the overall efficiency of the system and provide electrical isolation between the input and the load. Accordingly, the LLC resonant converter provides soft switching and can improve power conversion efficiency and power density while minimizing switching loss.

하지만, LLC 공진형 컨버터와 같은 공진형 컨버터는 부하의 크기에 따라 동작점이 달라지며 경부하에서는 제어가 어렵기 때문에 넓은 출력범위를 가지며 높은 출력 전압제어 성능을 요구하는 시스템에서는 효율성이 낮다. However, a resonant converter such as an LLC resonant converter has a wide output range and has low efficiency in a system requiring high output voltage control performance because the operating point varies depending on the size of the load and it is difficult to control at a light load.

이러한 점들을 해결하고자 최근에는 도 1에서와 같은 3단 AC-DC 컨버터가 연구되고 있다. In order to solve these problems, recently, a three-stage AC-DC converter as shown in FIG. 1 has been studied.

도 1에 도시한 바와 같이, 3단 AC-DC 컨버터는 dc-dc 단을 절연형 dc-dc 컨버터와 비절연형 dc-dc 컨버터로 구성한다. 1, the 3-stage AC-DC converter consists of a dc-dc stage of an isolated dc-dc converter and a non-isolated dc-dc converter.

여기서, 절연형 dc-dc 컨버터는 기존의 dc-dc 컨버터와 마찬가지로 고효율 및 전기적 절연을 우선 순위로 설계가 된다. 그리고 비절연형 컨버터는 Buck 컨버터와 같이 제어 입력 값 대 출력 전압이 선형 관계를 가지는 컨버터를 차용한다. 이러한 DC-DC 컨버터 단의 기능 분리는 각 전력변환 단마다 설계 최적화가 가능하고, 출력 제어 성능이 향상되지만 PFC 컨버터의 하드 스위칭 동작에 의해 효율이 낮아지는 상황이 존재하며, 별도의 전력변환단의 추가로 전력 변환 효율 및 전력 밀도가 감소된다. Here, the isolated dc-dc converter is designed with high efficiency and electrical insulation as a priority like the existing dc-dc converter. And the non-isolated converter borrows a converter in which the control input value and the output voltage have a linear relationship like the Buck converter. This separation of functions of the DC-DC converter stage enables design optimization for each power conversion stage, and the output control performance is improved, but there is a situation in which the efficiency is lowered due to the hard switching operation of the PFC converter. Additionally, the power conversion efficiency and power density are reduced.

관련 선행문헌으로 한국등록특허 1,022,772호는 "연료전지용 전력변환 장치"를 개시한다. As a related prior document, Korean Patent No. 1,022,772 discloses "power conversion device for fuel cell".

한국등록특허 1,022,772Korean Patent 1,022,772

본 발명의 한 실시예는 향상된 출력 제어 성능과 향상된 전력 변환 효율을 제공하는 고효율 절연형 PFC 컨버터를 제공하기 위한 것이다. One embodiment of the present invention is to provide a high-efficiency isolated PFC converter that provides improved output control performance and improved power conversion efficiency.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.In addition to the above problems, the embodiment according to the present invention may be used to achieve other problems not specifically mentioned.

본 발명의 한 실시예에 따른 고효율 절연형 PFC 컨버터에 관한 것으로, 변압기, 변압기의 1차 측에 직렬로 연결되는 제1 인덕터와 제2 인덕터를 포함하는 인덕터부, 인덕터부의 양단에 각각 연결되는 주 스위치와 부 스위치를 포함하고, 입력되는 신호에 따라 스위칭하여 출력되는 전압을 제어하는 스위치부, 그리고 변압기의 2차 측에 연결되는 제1 다이오드와 제2 다이오드를 포함하는 DC-link부를 포함하고, 주 스위치는 인덕터부와 입력 커패시터와 연결되고, 부 스위치는 인덕터부와 클램프 커패시터와 연결된다. A high-efficiency insulated PFC converter according to an embodiment of the present invention relates to a transformer, an inductor unit including a first inductor and a second inductor connected in series to the primary side of the transformer, and a main connected to both ends of the inductor unit, respectively It includes a switch and a sub-switch, and a switch unit for controlling an output voltage by switching according to an input signal, and a DC-link unit including a first diode and a second diode connected to the secondary side of the transformer, The main switch is connected to the inductor unit and the input capacitor, and the secondary switch is connected to the inductor unit and the clamp capacitor.

본 발명의 한 실시예에 따르면, 스위칭 손실을 최소화하고 다이오드 역회복 시간 문제에 의한 손실을 제거하여 높은 스위칭 주파수에서 동작함에도 고효율의 전력변환을 제공한다. According to an embodiment of the present invention, it provides high efficiency power conversion even when operating at a high switching frequency by minimizing the switching loss and eliminating the loss due to the diode reverse recovery time problem.

본 발명의 한 실시예에 따르면, 기존 DC-DC 컨버터 단 설계 시 고려된 고효율 전력 변환과 전기적 절연 성능을 PFC 컨버터 단에서 제공함에 따라 DC-DC 컨버터 단에는 제어 입력과 출력 전압이 선형 관계를 가지는 회로를 적용할 수 있어 고효율을 제공하면서 동시에 출력 제어 성능이 향상시켜 출력 전압 범위가 큰 어플리케이션에 효과적으로 적용할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, as the PFC converter stage provides high-efficiency power conversion and electrical insulation performance considered when designing the existing DC-DC converter stage, the DC-DC converter stage has a linear relationship between the control input and the output voltage. The circuit can be applied to provide high efficiency and at the same time improve the output control performance, so it can be effectively applied to applications with a large output voltage range.

도 1은 기존의 추가적인 전력변환단을 가지는 3단형 AC-DC 컨버터를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 2단형 AC-DC 컨버터의 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 PFC 컨버터를 나타낸 회로도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 PFC 컨버터의 모드에 따른 등가 회로를 나타낸 회로도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 제1 조건에서 작동 분석을 위한 주요 동작 파장을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 제2 조건에서 작동 분석을 위한 주요 파형을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 절연형 PFC 컨버터의 제어알고리즘을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 입력 전류 레귤레이션 성능에 대한 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 스위치의 작동에 대한 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 부하 조건에 따른 전력 변환 효율을 나타낸 그래프이다.
1 is a view showing a conventional three-stage AC-DC converter having an additional power conversion stage.
2 is a view showing a system of a two-stage AC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
3 is a circuit diagram illustrating a PFC converter according to an embodiment of the present invention.
4 is a circuit diagram illustrating an equivalent circuit according to a mode of a PFC converter according to an embodiment of the present invention.
5 is a view showing a main operating wavelength for operation analysis in the first condition according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating main waveforms for operation analysis under a second condition according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating a control algorithm of an isolated PFC converter according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing experimental results for input current regulation performance according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph showing experimental results for the operation of a switch according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph illustrating power conversion efficiency according to load conditions according to an embodiment of the present invention.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다. With reference to the accompanying drawings, the embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are used for the same or similar components throughout the specification. In addition, in the case of a well-known known technology, a detailed description thereof will be omitted.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part "includes" a certain element, it means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated.

명세서에서 듀티비(duty ratio)는 주기적인 스위칭 작동을 하는 반도체 스위칭 소자에서 한 주기에 대한 도통 구간의 비율을 의미한다. In the specification, a duty ratio means a ratio of a conduction section to one cycle in a semiconductor switching device that performs a periodic switching operation.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 2단형 AC-DC 컨버터의 시스템을 나타낸 도면이고 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 PFC 컨버터를 나타낸 회로도이다. 2 is a diagram showing a system of a two-stage AC-DC converter according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a circuit diagram showing a PFC converter according to an embodiment of the present invention.

일반적으로 2단형 AC-DC 컨버터에서 PFC 영역은 낮은 고주파 왜곡을 얻기 위해 입력 전류 제어를 수행하고, dc-dc 컨버터 영역에는 절연된 dc-dc 컨버터가 출력 조절(regulation) 및 갈바닉 절연(Galvanic isolation)을 수행한다. In general, in a two-stage AC-DC converter, the PFC region performs input current control to obtain low high-frequency distortion, and an isolated dc-dc converter performs output regulation and galvanic isolation in the dc-dc converter region. carry out

반면에, 도 2와 같이, 본 발명에서 제안하는 2단형 AC-DC 컨버터에서는 PFC 영역에서 전기적 절연을 수행한다. On the other hand, as shown in FIG. 2 , in the two-stage AC-DC converter proposed in the present invention, electrical insulation is performed in the PFC region.

이에, 2단형 AC-DC 컨버터는 소프트 스위칭(Soft-switching)기반의 절연형 PFC 컨버터(Isolated PFC converter)와 제어 입력 대 출력 전압이 선형관계를 가지는 비절연형 dc-dc 컨버터(Non-isolated dc-dc converter)로 구성된다. Accordingly, the two-stage AC-DC converter is a soft-switching-based isolated PFC converter and a non-isolated dc-dc converter in which the control input-to-output voltage has a linear relationship. dc converter).

여기서, 비절연형 dc-dc 컨버터는 비 절연형 buck 컨버터로 나타낼 수 있다. Here, the non-isolated dc-dc converter may be referred to as a non-isolated buck converter.

도 3에 도시한 바와 같이, 절연형 PFC 컨버터는 풀 브리지 다이오드 정류기와 절연 공진 dc-dc 컨버터로 구성된다. As shown in FIG. 3, the isolated PFC converter is composed of a full-bridge diode rectifier and an isolated resonance dc-dc converter.

절연형 PFC 컨버터는 변압기, 인덕터부, 스위치부 그리고 DC -link부를 포함한다. The isolated PFC converter includes a transformer, an inductor part, a switch part, and a DC-link part.

변압기(T)는 1차측과 2차측에 연결되어 공급되는 전압을 변압하여 전류를 인가한다. The transformer T is connected to the primary side and the secondary side to transform the supplied voltage to apply a current.

여기서, 변압기(T)의 1차측에는 자화 인덕턴스(Lm)가 병렬로 연결되고 2차측에는 누설 인덕턴스(Llk)가 직렬로 연결된다. Here, the magnetizing inductance Lm is connected in parallel to the primary side of the transformer T and the leakage inductance L lk is connected in series to the secondary side.

그리고 인덕터부(L1,L2, L)는 변압기의 1차 측에 직렬로 연결되는 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)를 포함한다. And the inductor part (L 1 , L 2 , L) includes a first inductor ( L 1 ) and a second inductor ( L 2 ) connected in series to the primary side of the transformer.

제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)는 입력 인덕터이다.The first inductor L 1 and the second inductor L 2 are input inductors.

그리고 스위치부(S1, S2, S1a, S2a, S)는 인덕터부의 양단에 각각 연결되는 주 스위치(S1, S2)와 부 스위치(S1a, S2a)를 포함하고, 입력되는 신호에 따라 스위칭하여 출력되는 전압을 제어한다 And the switch unit (S 1 , S 2 , S 1a , S 2a , S) includes a main switch (S 1 , S 2 ) and a sub switch (S 1a , S 2a ) respectively connected to both ends of the inductor unit, and the input Controls the output voltage by switching according to the signal

이때, 주 스위치는 제1 스위치 (S1) 그리고 제2 스위치(S2)를 포함하고, 부 스위치는 제3스위치 (S1a) 그리고 제4 스위치(S2a)를 포함한다. In this case, the main switch includes a first switch (S 1 ) and a second switch (S 2 ), and the sub switch includes a third switch (S 1a ) and a fourth switch (S 2a ).

상세하게는 제1 스위치(S1) 는 제1 인덕터(L1)와 입력 커패시터(Ci) 와 연결되고, 제2 스위치(S2)는 제2인덕터(L2)와 입력 커패시터(Ci)와 연결된다.In detail, the first switch S 1 is connected to the first inductor L 1 and the input capacitor C i , and the second switch S 2 is the second inductor L 2 and the input capacitor C i ) is associated with

그리고 제3 스위치(S1a)는 제1 인덕터(L1)와 클램프 커패시터(CC)와 연결되고, 제4 스위치(S2a)는 제2인덕터(L2)와 클램프 커패시터(CC)와 연결된다. And the third switch S 1a is connected to the first inductor L 1 and the clamp capacitor C C , and the fourth switch S 2a is connected to the second inductor L 2 and the clamp capacitor C C . Connected.

주 스위치(S1, S2)는 듀티 비율 (D)가 동일하며, PWM 신호는 180도 위상차로 생성된다. 이는 효과적인 스위칭 주파수를 향상시켜 인터리브 컨버터와 같은 입력 전류 리플을 감소시킨다. The main switches (S 1 , S 2 ) have the same duty ratio (D), and the PWM signal is generated with a 180 degree phase difference. This improves the effective switching frequency and reduces input current ripple, such as in interleaved converters.

그리고 주 스위치(S1, S2)는 서로 부 스위치(S1a, S2a)는 상보적으로 동작한다. 상세하게는 제1 스위치(S1)와 제3스위치 (S1a)가 상보적으로 동작하고, 제2 스위치(S2)와 제4 스위치(S2a)가 상보적으로 동작한다. And the main switches (S 1 , S 2 ) and the sub switches (S 1a , S 2a ) are complementary to each other. In detail, the first switch S 1 and the third switch S 1a operate complementarily, and the second switch S 2 and the fourth switch S 2a operate complementarily.

한편, 모든 스위치는 각각의 바디 다이오드를 포함하고, 스위치의 턴 온(Turn-on)/턴 오프 (Turn-off) 동작에 관여하는 게이트 신호가 전달되기 이전에 바디 다이오드를 통해 전류가 흘러 스위치에 제로 전압 (Zero voltage)인 상태로 스위치가 턴 온 된다. On the other hand, all switches include each body diode, and before the gate signal involved in the turn-on/turn-off operation of the switch is transmitted, current flows through the body diode to the switch. The switch is turned on with zero voltage.

이를 통해 소프트-스위칭 동작에서 제로 전압인 상황에서 연결되므로 스위칭 손실이 최소화되다. Through this, the switching loss is minimized since it is connected at zero voltage in the soft-switching operation.

DC -link부는 변압기(T)의 2차 측에 연결되는 제1 다이오드와 제2 다이오드를 포함하고 dc-dc 변압기와 연결된다. The DC-link unit includes a first diode and a second diode connected to the secondary side of the transformer T, and is connected to the dc-dc transformer.

여기서, 제1다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2)는 누설 인덕턴스(Llk) 와 커패시터(Cr1) 및 (Cr2)로 구성된 공진 회로를 통해 제로 전류 스위칭(Zero Current Switching, ZCS) 턴 오프를 달성한다. Here, the first diode D1 and the second diode D2 have a leakage inductance (L lk ) and a zero current switching (ZCS) turn through a resonance circuit consisting of capacitors (C r1 ) and (C r2 ) achieve off.

이를 통해 다이오드 D1과 D2의 역회복 시간 문제에 대한 손실을 완화한다. This mitigates the losses due to the reverse recovery time problem of diodes D1 and D2.

한편, 절연형 PFC 컨버터는 스위치의 펄스폭 변조 (pulse-width-modulation, PWM) 신호를 조정하여 입력 전류 ii및 dc-link의 Vdc 를 조정할 수 있는 도 7과 같은 제어 알고리즘을 포함하고 있다. On the other hand, the isolated PFC converter includes a control algorithm as shown in FIG. 7 that can adjust the input current i i and V dc of the dc-link by adjusting the pulse-width-modulation (PWM) signal of the switch. .

발명된 PFC 컨버터는 듀티비 0.5를 기준으로 제 1조건 (듀티비 <0.5)과 제 2조건으로 나뉜다. 각 조건에서 PFC 컨버터의 동작에 따른 6가지의 모드에 상세히 구분된다. The invented PFC converter is divided into a first condition (duty ratio <0.5) and a second condition based on a duty ratio of 0.5. It is classified in detail into 6 modes according to the operation of the PFC converter in each condition.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 PFC 컨버터의 모드에 따른 등가 회로를 나타낸 회로도이고 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 제1 조건에서 작동 분석을 위한 주요 동작 파형을 나타낸 도면이다. 그리고 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 제2 조건에서 작동 분석을 위한 주요 파형을 나타낸 도면이다. 4 is a circuit diagram illustrating an equivalent circuit according to a mode of a PFC converter according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a diagram showing main operation waveforms for operation analysis under the first condition according to an embodiment of the present invention. And FIG. 6 is a view showing main waveforms for operation analysis under the second condition according to an embodiment of the present invention.

도 4의 (a)는 mode 1로, 절연형 PFC 컨버터의 제1 스위치(S1)가 턴 온 함으로써 시작된다. 전류ip는 제1 스위치(S1)의 바디 다이오드를 통해 흐르므로 제1 스위치(S1)는 제로 전압 상태에서 턴 온된다. Figure 4 (a) is mode 1, the first switch (S1) of the insulated PFC converter is started by turning on. Since the current i p flows through the body diode of the first switch S1, the first switch S1 is turned on in a zero voltage state.

이 모드 동안, 변압기의 1 차측 전압 vp은 클램프 커패시터 전압 -Vc를 갖는 음의 전압이며 자화 전류 im은 감소한다. During this mode, the primary voltage v p of the transformer is a negative voltage having a voltage clamp capacitor and -Vc magnetization current i m is reduced.

이에, 절연형 PFC 컨버터의mode 1에서의 입력측으로부터 전력이 변압기(T)를 경유해 DC-link 측으로 전달된다. Accordingly, power is transmitted from the input side in mode 1 of the isolated PFC converter to the DC-link side via the transformer T.

또한 변압기의 2차측 전류는 D1을 통해 흐르고, 누설 전류(Llk)는 공진 커패시터 (Cr1, Cr2)와 공진한다.In addition, the secondary-side current of the transformer flows through D1, and the leakage current (L lk ) resonates with the resonant capacitors (C r1 , C r2 ).

이러한 상태 관계는 다음 수학식 1과 같다. Such a state relationship is expressed in Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112020015029890-pat00001
Figure 112020015029890-pat00001

여기서 vCr1는 커패시터 전압 Cr1, vCr2는 각각 커패시터 전압 Cr2을 나타낸다. Here, vC r1 represents a capacitor voltage C r1 , and vC r2 represents a capacitor voltage C r2 , respectively.

이때, 커패시터 (Cdc)는 충분한 큰 값을 가지므로, Vdc는 일정한 값으로 간주하여 다음 수학식 (2)로 표현 될 수 있다At this time, since the capacitor (C dc ) has a sufficiently large value, V dc is regarded as a constant value and can be expressed by the following Equation (2)

[수학식 2] [Equation 2]

Figure 112020015029890-pat00002
Figure 112020015029890-pat00002

그리고 수학식 1과 수학식 2로부터 다음 수학식 3을 통해 전압(vCr1)을 산출할 수 있다. And from Equations 1 and 2, the voltage vC r1 may be calculated through Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112020015029890-pat00003
Figure 112020015029890-pat00003

여기서,

Figure 112020015029890-pat00004
는 각 공진 주파수를 나타낸다. here,
Figure 112020015029890-pat00004
denotes each resonant frequency.

그리고 도 4의 (b)는 mode 2로, 절연형 PFC 컨버터의 DC-link 측으로 전력 전달이 종료되는 시점에 시작한다. 다이오드 전류(id1)은 0이되고, 다이오드 D1은 제로 전류가 되어 턴 오프된다. 이에 따라 D1의 역 회복 문제로 인한 손실이 최소화된다. And Figure 4 (b) is mode 2, it starts at the time when the power transfer to the DC-link side of the isolated PFC converter is terminated. The diode current i d1 becomes zero, and the diode D1 becomes zero current and is turned off. Accordingly, losses due to the inverse recovery problem of D1 are minimized.

그리고 도 4의 (c)는 mode 3으로, 제1 스위치(S1)의 턴 오프 되고 제 3 스위치 (S1a)가 턴 온되면서 시작된다. 전류 iS1a는 제3 스위치(S1a)의 바디 다이오드를 흐르게 하여 제3 스위치(S1a)가 제로 전압 상태에서 턴 온되어 제 3 스위치의 손실을 제거한다.And Figure 4 (c) is mode 3, the first switch (S 1 ) is turned off and the third switch (S 1a ) is turned on and starts. Current i flows to the third S1a is a body diode of the switch (S 1a), the third switch (S 1a) is turned on at the zero voltage state to eliminate the loss of the third switch.

이와 같이 절연형PFC 컨버터는 모드 1, 모드 2, 그리고 모드 3에서 스위칭 손실 및 다이오드 역회복 시간에 대한 손실을 최소화하는 동작을 수행한다. 도 3의 절연형 PFC 컨버터의 회로의 대칭적인 스위칭 동작으로 인해 모드 4, 모드5, 모드6에서도 모드 1, 모드 2, 모드 3과 유사하게 수행된다. As described above, the isolated PFC converter performs an operation to minimize the switching loss and the loss with respect to the diode reverse recovery time in mode 1, mode 2, and mode 3. Due to the symmetrical switching operation of the circuit of the insulated PFC converter of FIG. 3, modes 4, 5, and 6 are also performed similarly to the modes 1, 2, and 3, respectively.

따라서, 절연형PFC 컨버터는 제1 조건과 제2 조건에 기초하여 6가지의 모드를 구현할 수 있으나, 이에 반드시 한정하는 것은 아니다. Accordingly, the isolated PFC converter may implement six modes based on the first condition and the second condition, but is not limited thereto.

도 5은 제1 조건인 D값이 0.5보다 작은 값을 가지는 경우로서, 절연형 PFC 컨버터의 모드 동작에 따른 파형을 나타낸다. 5 is a case in which the value of D, which is the first condition, has a value smaller than 0.5, and shows waveforms according to the mode operation of the insulated PFC converter.

다시 말해 도 5는 한 스위칭 기간 동안의 주요 파형으로 제1 조건에 따른 영역에서 한 번의 전환 기간 동안 6 가지 작동 모드를 나타낸다. In other words, FIG. 5 shows six operating modes during one switching period in the region according to the first condition as main waveforms during one switching period.

먼저, mode 1는 t0에서부터 t1의 구간(1a)의 파형을 도출하며, mode 1는 t1에서부터 t2의 구간(2a)의 파형 그리고 mode 1는 t2에서부터 t3의 구간(3a)의 파형을 나타낸다. First, mode 1 derives the waveform of section 1a from t0 to t1, mode 1 represents the waveform of section 2a from t1 to t2, and mode 1 represents the waveform of section 3a from t2 to t3.

이에, 회로의 대칭적인 동작으로 mode 4,5,6은 mode 1,2,3에서와 대칭적인 파형을 나타낸다. Accordingly, as a symmetrical operation of the circuit, modes 4,5,6 show symmetrical waveforms with those in modes 1,2,3.

도 6은 제2조건인 D값이 0.5보다 큰 값을 가지는 경우로서, 절연형 PFC 컨버터의 모드 동작에 따른 파형을 나타낸다. 6 is a case in which the value of D, which is the second condition, has a value greater than 0.5, and shows waveforms according to the mode operation of the insulated PFC converter.

도 6에서 보면, 도 5와는 달리, mode 3의 3b 구간(t2에서 t3)과 대칭구간인 6b 구간(t5에서 t6)에서와 같이, 메인 스위치(제1 스위치 및 제2 스위치)의 게이트 신호가 겹치는 간격이 있다. Referring to FIG. 6 , unlike FIG. 5 , as in the 3b section (t 2 to t 3 ) of mode 3 and the 6b section (t 5 to t 6 ), which is a symmetric section, the main switch (first switch and second switch) There is a gap where the gate signals of

3b 구간과 이 간격에서 변압기의1 차측 전압 vp는 0이며, 전류 im은 제1 조건에 대한 mode 3에서의 3a구간과 6a 구간에서와 같이 일정하게 유지된다. In section 3b and this interval, the primary voltage v p of the transformer is 0, and the current i m is kept constant as in section 3a and section 6a in mode 3 for the first condition.

L1 및 L2가 L과 동일한 인덕턴스 값을 가정하면 스위칭 기간 동안 L에 대한 전압-초 균형 법칙에서 평균 활성 클램프 커패시터 전압 Vc와 입력 전압 vin 사이의 관계는 다음 수학식 4와 같습니다.Assuming that L 1 and L 2 have the same inductance value as L, the relationship between the average active clamp capacitor voltage Vc and the input voltage v in under the voltage-second balance law for L during the switching period is:

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112020015029890-pat00005
Figure 112020015029890-pat00005

스위칭의 대칭 동작으로 인해 vcr1의 평균 전압 Vcr1과 vcr2의 평균 전압 Vcr2은 동일하다. 이에 수학식 3으로부터  평균 전압 (Vcr1)은 nVc로 도출되기 때문에 Vc와 Vdc의 관계는 다음 수학식 5와 같다. Average voltage due to the symmetric operation of the switching cr1 v V v cr1 and cr2 of the average voltage V cr2 is the same. Accordingly, since the average voltage (V cr1 ) is derived as nV c from Equation 3, the relationship between V c and V dc is as shown in Equation 5 below.

[수학식 5] [Equation 5]

Figure 112020015029890-pat00006
Figure 112020015029890-pat00006

이에, 수학식 5를 살펴보면 절연형 PFC 컨버터의 전압 전달 기능은 부스트 PFC 컨버터(boost PFC converter)의 기능과 유사한 것을 알 수 있다.Accordingly, referring to Equation 5, it can be seen that the voltage transfer function of the isolated PFC converter is similar to the function of the boost PFC converter.

도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 절연형 PFC 컨버터의 제어알고리즘을 나타낸 도면이다. 7 is a diagram illustrating a control algorithm of an isolated PFC converter according to an embodiment of the present invention.

도 7에 도시한 바와 같이, 절연형 PFC 컨버터는 출력 전압 Vdc 조정하기 위해 비례 적분형 컨트롤러가 사용된다. As shown in FIG. 7 , in the isolated PFC converter, a proportional integral controller is used to adjust the output voltage V dc .

상세하게는 절연형 PFC 컨버터는 듀티 비 D를 조정하여 역률 보정 및 DC-link 전압 Vdc 조정한다. 이에 제어 알고리즘 컴퓨팅 D에 의해 전력 품질 및 link 전압 조정 능력이 결정된다. In detail, the isolated PFC converter adjusts the duty ratio D to correct the power factor and adjust the DC-link voltage V dc . Accordingly, the power quality and link voltage adjustment capability are determined by the control algorithm computing D.

여기서, 듀티 비 D와 입력 전류 변수 ii를 사용하면 한 스위칭 기간 Ts 동안 입력 인덕터 L (= L1 = L2)의 평균 전압 방정식은 다음 수학식 6과 같다. Here, if the duty ratio D and the input current variable i i are used, the equation for the average voltage of the input inductor L (= L 1 = L 2 ) during one switching period Ts is as shown in Equation 6 below.

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112020015029890-pat00007
Figure 112020015029890-pat00007

그리고, 듀티 비 D 수학식 4와 수학식 6에 기초하여 다음 수학식 7과 같이 산출된다. Then, the duty ratio D is calculated as in Equation 7 below based on Equations 4 and 6.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112020015029890-pat00008
Figure 112020015029890-pat00008

여기서, Vdc,ref는 절연형 PFC 컨버터의 원하는 출력 전압이다. Here, V dc,ref is the desired output voltage of the isolated PFC converter.

그리고 제어 변수Dn과 d 는 다음 수학식 9를 이용하여 산출할 수 있다. And the control variables D n and d can be calculated using the following Equation (9).

[수학식 8] [Equation 8]

Figure 112020015029890-pat00009
Figure 112020015029890-pat00009

Dn은 수학식 7에서 원래의 비선형 시스템으로부터 분리될 수 있으며, 이것은 d와 ii 사이의 관계를 선형으로 만든다. D n can be separated from the original non-linear system in equation (7), which makes the relationship between d and i i linear.

다시 말해 Dn은 피드 포워드 컨트롤러로 기능을 수행하여 입력 전압과 DC-link 전압 변동에 따른 외란을 제거하고 피드백 컨트롤러의 부담을 경감시켜 수학시 7로 표현되는 비선형 시스템을 1 차 선형 시스템으로 변환하는 데 기여한다. In other words, D n functions as a feed-forward controller to remove disturbances caused by input voltage and DC-link voltage fluctuations and reduce the burden on the feedback controller to convert the non-linear system expressed by 7 in mathematics into a first-order linear system. contribute to

그리고, 단일 역률에서 vi와 ii는 다음 수학식 9와 같다. And, in a single power factor, v i and i i are the same as in Equation 9 below.

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112020015029890-pat00010
Figure 112020015029890-pat00010

여기서 Vi와 Ii는 각각 vi와 ii의 피크 값이다. 그리고 는 입력 AC 전압 vac의 주파수를 의미한다. Here, V i and I i are the peak values of vi and i i , respectively. and is the frequency of the input AC voltage v ac .

그리고 수학식 9에 대해서 입력 전류 기준 ii_ref는 다음 수학식 10과 같이 도출될 수 있다. And with respect to Equation 9, the input current reference i i_ref may be derived as in Equation 10 below.

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112020015029890-pat00011
Figure 112020015029890-pat00011

여기서, Ii *는 ii_ref의 크기이다. 출력 전압Vdc은 입력 전력과 출력 전력 차이에 의해 변화되기 때문에, 전압 제어기는 출력 전압이 Vdc_ref가 되도록 하는 Ii *를 산출한다.Here, I i * is the size of i i_ref . Since the output voltage V dc is changed by the difference between the input power and the output power, the voltage controller calculates I i * such that the output voltage is V dc_ref .

이하에서는 도 8 내지 도 10을 이용하여 절연형 PFC 컨버터에 대한 실험 결과를 통한 확인된 성능에 대해서 설명한다. Hereinafter, the performance confirmed through the experimental results for the insulated PFC converter will be described with reference to FIGS. 8 to 10 .

도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 입력 전류 레귤레이션 성능에 대한 실험 결과를 나타낸 그래프이고, 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 스위치의 작동에 대한 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 그리고 도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 부하 조건에 따른 전력 변환 효율을 나타낸 그래프이다. 8 is a graph showing experimental results for input current regulation performance according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a graph showing experimental results for operation of a switch according to an embodiment of the present invention. And FIG. 10 is a graph showing power conversion efficiency according to load conditions according to an embodiment of the present invention.

TMS320F28377S (마이크로 컨트롤러) 기반 1kW 프로토 타입으로 절연형 PFC 컨버터를 구현하고, ac 전압은 220V, 60Hz그리고 dc 전압 360V의 조건하에 성능을 시험하였다. An isolated PFC converter was implemented as a 1kW prototype based on TMS320F28377S (microcontroller), and the performance was tested under the conditions of ac voltage of 220V, 60Hz and dc voltage of 360V.

이하 표1 은 실험에 사용된 세부 파라미터의 값을 의미한다. Table 1 below means the values of the detailed parameters used in the experiment.

Parameters/SymbolsParameters/Symbols ValueValue AC voltage / vac AC voltage / v ac 220Vrms220Vrms AC frequency fac AC frequency f ac 60Hz60Hz DC voltage (output voltage) / Vdc DC voltage (output voltage) / V dc 360V360V Switching frequency / fs Switching frequency / f s 70kHz70kHz Primary winding turns / Np Primary winding turns / N p 24turns24 turns Secondary winding turns / Ns Secondary winding turns / N s 20turns20 turns Magnetizing inductance / Lm Magnetizing inductance / L m 170μH170μH Leakage inductance / Llk Leakage inductance / L lk 0.5μH0.5 μH Input inductor / LInput inductor / L 0.8mH0.8mH Input capacitor / Ci Input capacitor / C i 1μF1 μF Clamp capacitor / Cc Clamp capacitor / C c 4.4μF4.4 μF Resonant capacitors / Cr1, Cr2 Resonant capacitors / C r1 , C r2 2μF2 μF DC capacitor / Cdc DC capacitor / C dc 680μF680 μF

도 8은 ac 전압과 전류에 대한 실험 결과로, 전류 (iac)는 낮은 고조파 왜곡과 완벽한 정현파 형상을 갖는다.이러한 경우, 역률과 총 고조파 왜곡 (THD)은 각각 0.999와 2.9 %로 측정되며, 도 8과 같이, ZVS 턴 온을 제공하여 소프트 스위칭 동작하는 것을 확인할 수 있다.8 shows the experimental results for ac voltage and current, the current (i ac ) has low harmonic distortion and a perfect sinusoidal shape. In this case, the power factor and total harmonic distortion (THD) are measured to be 0.999 and 2.9%, respectively, As shown in FIG. 8 , it can be confirmed that the soft switching operation is performed by providing the ZVS turn-on.

또한, 도 9과 같이, 변압기의 2차측에 배치되는 다이오드도 제로 전류 상태에서 턴 오프되므로 다이오드의 역 회복 문제로 인한 손실이 최소화한다. 이에, 절연형 PFC 컨버터는 고 주파수 작동에서도 전력 손실을 최소화 하여 고효율의 전력 변환을 수행한다.In addition, as shown in FIG. 9 , since the diode disposed on the secondary side of the transformer is also turned off in the zero current state, the loss due to the reverse recovery problem of the diode is minimized. Accordingly, the isolated PFC converter performs high-efficiency power conversion by minimizing power loss even in high-frequency operation.

도 10은 다양한 부하 조건에 따른 프로토 타입의 전력 변환 효율을 나타낸다. Figure 10 shows the power conversion efficiency of the prototype according to various load conditions.

도 10에 도시한 바와 같이, 60% 부하에서 최대 효율이 96.7 %으로 측정되고 정격 부하(100%)시 효율이 및 96.3 %로 측정되는 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 10 , it can be confirmed that the maximum efficiency is measured as 96.7% at 60% load, and the efficiency is measured as and 96.3% at the rated load (100%).

이와 같이, 절연형PFC 컨버터는 모든 전력 반도체 스위치 (S1. S2, S1a, S2a)와 전력 다이오드 D1, D2 가 소프트 스위칭함에 따라 스위치의 스위칭 손실과 다이오드의 역회복 시간 문제의 의한 손실을 최소화하여 높은 스위칭 주파수에서 동작함에도 고효율의 전력변환을 제공할 수 있다. In this way, as all power semiconductor switches (S1. S2, S1a, S2a) and power diodes D1 and D2 are soft-switched, the isolated PFC converter minimizes the switching loss of the switch and the loss due to the diode reverse recovery time problem. It can provide high-efficiency power conversion even when operating at a switching frequency.

그리고 절연형PFC 컨버터는 입력과 직접적으로 연결된 PFC 컨버터의 소프트-스위칭 동작은 기존 PFC 컨버터와 비교해 효과적으로 EMI 잡음을 제거하여 전반적인 시스템 신뢰도를 향상시킬 수 있다. In addition, the soft-switching operation of the PFC converter directly connected to the input of the isolated PFC converter effectively removes EMI noise compared to the conventional PFC converter, improving overall system reliability.

또한 발명한 PFC 컨버터가 고효율과 전기적 절연을 담당함에 따라 dc-dc 컨버터 단의 설계 부담을 경감시켜 벅 컨버터와 같은 제어 입력 대 출력 전압이 선형관계를 가지는 회로를 적용할 수 있게 하여 높은 전력 변환 효율을 제공하면서 동시에 높은 출력 제어 성능을 제공하는 이단 AC-DC 컨버터 구성이 가능한다.In addition, as the invented PFC converter is in charge of high efficiency and electrical isolation, the design burden of the dc-dc converter stage is reduced, and a circuit in which the control input to output voltage has a linear relationship such as a buck converter can be applied, resulting in high power conversion efficiency. It is possible to configure a two-stage AC-DC converter that provides high output control performance while providing

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims are also provided. is within the scope of the

Claims (6)

변압기,
상기 변압기의 1차 측에 직렬로 연결되는 제1 인덕터와 제2 인덕터를 포함하는 인덕터부,
상기 인덕터부의 양단에 각각 연결되는 주 스위치부와 부 스위치부를 포함하고, 입력되는 신호에 따라 스위칭하여 출력되는 전압을 제어하는 스위치부, 그리고
상기 변압기의 2차 측에 연결되는 제1 다이오드와 제2 다이오드를 포함하는 DC -link부를 포함하고,
상기 주 스위치는 상기 인덕터부와 입력 커패시터와 연결되고, 상기 부 스위치는 상기 인덕터부와 클램프 커패시터와 연결되며,
입력 전압과 DC-link 전압 변동에 따른 외란을 제거하고, 비선형 시스템을 1차 선형 시스템으로 변환하는 피드 포워드 컨트롤러(Dn)를 통해 듀티 비를 조정하여 역률 보정과 출력 전압을 조정하는 절연형 PFC 컨버터.
Transformers,
an inductor unit including a first inductor and a second inductor connected in series to the primary side of the transformer;
a switch unit including a main switch unit and a sub switch unit respectively connected to both ends of the inductor unit, and controlling an output voltage by switching according to an input signal; and
and a DC-link unit including a first diode and a second diode connected to the secondary side of the transformer,
the main switch is connected to the inductor unit and the input capacitor, and the sub switch is connected to the inductor unit and the clamp capacitor;
An isolated PFC converter that adjusts power factor correction and output voltage by adjusting the duty ratio through a feed-forward controller (Dn) that removes disturbances caused by input voltage and DC-link voltage fluctuations and converts a nonlinear system into a first-order linear system .
제1항에서,
상기 변압기의 1차측에 병렬로 연결되는 자화 인덕턴스를 더 포함하고, 2차측에 직렬로 연결되는 누설 인덕턴스를 더 포함하는 절연형 PFC 컨버터.
In claim 1,
Insulated PFC converter further comprising a magnetizing inductance connected in parallel to the primary side of the transformer, and further comprising a leakage inductance connected in series to the secondary side.
제1항에서,
상기 주 스위치부는 제1 스위치, 제2 스위치를 포함하고,
상기 제1 스위치는 상기 제1 인덕터와 상기 입력 커패시터와 연결되고, 상기 제2 스위치는 상기 제2 인덕터와 상기 입력 커패시터와 연결되며,
상기 부 스위치부는 제3 스위치와 제4 스위치를 포함하고,
상기 제3 스위치는 상기 제1 인덕터와 상기 클램프 커패시터와 연결되고, 상기 제4 스위치는 상기 제2 인덕터와 상기 클램프 커패시터와 연결되는 절연형 PFC 컨버터.
In claim 1,
The main switch unit includes a first switch and a second switch,
the first switch is connected to the first inductor and the input capacitor, and the second switch is connected to the second inductor and the input capacitor;
The sub switch unit includes a third switch and a fourth switch,
The third switch is connected to the first inductor and the clamp capacitor, and the fourth switch is connected to the second inductor and the clamp capacitor.
제3항에서,
상기 제1 스위치와 제2 스위치는 180도 위상차이를 가지고, 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치는 상보적으로 동작하며, 그리고 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치가 상보적으로 동작하는 절연형 PFC 컨버터.
In claim 3,
The first switch and the second switch have a phase difference of 180 degrees, the first switch and the third switch operate complementary, and the second switch and the fourth switch operate complementarily. PFC converter.
제1항에서,
상기 DC -link부는,
누설 인덕턴스와 연결된 전압 이중화 커패시터로 구성된 공진 회로를 통해 상기 제1 다이오드와 상기 제2 다이오드가 제로 전류 스위칭(ZCS) 턴 오프로 동작하도록 구동하는 절연형 PFC 컨버터.
In claim 1,
The DC-link unit,
An insulated PFC converter that drives the first diode and the second diode to operate in zero current switching (ZCS) turn-off through a resonance circuit composed of a voltage double capacitor connected to a leakage inductance.
제1항에서,
상기 스위치부의 펄스폭 변조 (pulse-width-modulation, PWM) 신호를 조정하여 입력 전류와 DC-link 전압을 동시에 제어할 수 있는 알고리즘을 포함하는 절연형 PFC 컨버터.
In claim 1,
An insulated PFC converter comprising an algorithm capable of simultaneously controlling an input current and a DC-link voltage by adjusting a pulse-width-modulation (PWM) signal of the switch unit.
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