KR102344441B1 - 2가지 부하를 갖는 통합형 ｄｃ/ｄｃ 컨버터 - Google Patents

2가지 부하를 갖는 통합형 ｄｃ/ｄｃ 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내장된 강압형 컨버터를 사용하여 전체 회로의 부피가 감소하며, 높은 전력밀도를 갖도록 한 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터에 관한 것으로, 3권선 변압기의 일측에 연결되고, 제 1,2,3,4 스위치 소자(S1)(S2)(S3)(S4)를 갖고 위상천이형 제어를 통해서 동작하는 제 1 H-Bridge 컨버터;각 부하에 맞게 3개의 권선 수를 조정하여 전압을 승/강압하는 3권선 변압기;3권선 변압기의 타측에 연결되고, 제 1 부하(Vo1)가 연결되어 제 5,6,7,8 스위치 소자(S5)(S6)(S7)(S8)를 갖고 동기정류기의 역할을 수행하는 제 2 H-Bridge 컨버터;제 2 부하(Vo2)가 연결되어 제 9,10,11 스위치 소자(S9)(S10)(S11)를 갖고 변압된 전압을 제 2 부하(Vo2)에 맞게 조정하는 강압형 DC/DC 컨버터;를 포함하는 것이다.

Description

2가지 부하를 갖는 통합형 ＤＣ/ＤＣ 컨버터{Integrated ＤＣ/ＤＣ Converter with two different loads}
본 발명은 DC/DC 컨버터에 관한 것으로, 구체적으로 내장된 강압형 컨버터를 사용하여 전체 회로의 부피가 감소하며, 높은 전력밀도를 갖도록 한 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터에 관한 것이다.
DC/DC 컨버터는 스위칭 동작을 통해 대상으로 하는 정격부하에 최적화되어 동작한다. 서로 다른 2가지 부하를 갖는 상황에서는 2개의 DC/DC 컨버터를 각 부하에 맞게 사용한다. 따라서, 많은 스위치와 수동소자를 사용하게 되어 시스템의 크기가 커지고, 전력밀도가 낮아지게 된다.
도 1은 종래 기술의 병렬형 DC/DC 컨버터의 구성도이다.
2개의 부하를 갖는 상황에서는 도 1에서와 같이 두 개의 DC/DC 컨버터가 병렬 연결되어 각 부하에 따라 동작하게 된다.
따라서 각 부하에 맞게 전압을 변환해주는 변압기 2개, 부하에 맞는 동작을 하기 위한 스위치 16개, 인덕터와 커패시터 각각 2개를 사용하게 되어 전체 시스템의 크기가 증가하게 된다.
이와 같은 병렬형 DC/DC 컨버터는 두 개의 PSFB(Phase Shifted Full Bridge) 컨버터를 병렬연결한 방식으로 각 변압기의 1차단은 위상천이형 제어를 통해 동작하고, 2차단은 동기정류기 역할을 수행하게 된다.
이러한 방식은 스위치와 소자의 개수를 증가시키기 때문에 보다 적은 스위치와 소자를 사용하여 기존 병렬형 컨버터의 동작을 수행할 수 있는 통합형 DC/DC 컨버터가 필요하다.
따라서, 보다 적은 스위치를 사용하여 전력밀도를 높이기 위해서 두 개의 DC/DC 컨버터를 통합한 통합형 DC/DC 컨버터에 관한 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2012-0001335호 대한민국 등록특허 제10-1333586호
본 발명은 종래 기술의 2개의 부하에 대응하기 위한 병렬형 DC/DC 컨버터의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 내장된 강압형 컨버터를 사용하여 전체 회로의 부피가 감소하며, 높은 전력밀도를 갖도록 한 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 보다 적은 스위치를 사용하여 전력밀도를 높이기 위해서 두 개의 DC/DC 컨버터를 통합한 통합형 DC/DC 컨버터를 구성하고, 3권선 변압기를 사용하여 각 부하에 맞게 3개의 권선 수를 조정하여 전압을 승/강압하여 변환 효율을 높인 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 통합형 DC/DC 컨버터 구현으로 병렬형 DC/DC 컨버터에 비해 변압기 수를 줄이고, 전체 스위치 소자를 30% 이상 줄여 시스템 크기를 줄이고, 전력밀도를 높일 수 있도록 한 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터는 3권선 변압기의 일측에 연결되고, 제 1,2,3,4 스위치 소자(S1)(S2)(S3)(S4)를 갖고 위상천이형 제어를 통해서 동작하는 제 1 H-Bridge 컨버터;각 부하에 맞게 3개의 권선 수를 조정하여 전압을 승/강압하는 3권선 변압기;3권선 변압기의 타측에 연결되고, 제 1 부하(Vo1)가 연결되어 제 5,6,7,8 스위치 소자(S5)(S6)(S7)(S8)를 갖고 동기정류기의 역할을 수행하는 제 2 H-Bridge 컨버터;제 2 부하(Vo2)가 연결되어 제 9,10,11 스위치 소자(S9)(S10)(S11)를 갖고 변압된 전압을 제 2 부하(Vo2)에 맞게 조정하는 강압형 DC/DC 컨버터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 제 1 부하(Vo1)에 대해서는 Np : (Ns+Nt)의 권선비로 전압을 조정하고, 제 2 부하(Vo2)에 대해서는 Np:Nt 의 권선비로 전압을 조정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 제 1 부하(Vo1)에 대해서는 제 1,2,3,4 스위치 소자(S1)(S2)(S3)(S4)를 갖는 제 1 H-Bridge 컨버터와 제 5,6,7,8 스위치 소자(S5)(S6)(S7)(S8)를 갖는 제 2 H-Bridge 컨버터를 사용하여 동작하고, 제 1 H-Bridge 컨버터는 위상천이형 제어를 통해서 동작하고 제 2 H-Bridge 컨버터는 동기정류기의 역할을 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 제 2 부하(Vo2)에 대해서는 제 1,2,3,4 스위치 소자(S1)(S2)(S3)(S4)를 갖는 제 1 H-Bridge 컨버터와 제 9,10,11 스위치 소자(S9)(S10)(S11)를 갖는 강압형 DC/DC 컨버터를 사용하여 동작하는 것을 특징으로 한다.
그리고 제 1 H-Bridge 컨버터는 제 1 부하(Vo1)를 기준으로 위상천이 제어를 통해 제 2 부하(Vo2)에도 동일하게 동작하고, Np:Nt 의 권선비로 변압된 전압을 강압형 DC/DC 컨버터를 사용하여 제 2 부하(Vo2)에 맞게 조정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 강압형 DC/DC 컨버터는, 제 1,4 스위치 소자(S1)(S4)가 동시에 켜질 때 제 9,11 스위치 소자(S9)(S11)가 듀티를 조정하여 켜지며 동작하게 되고, 그 이외의 상황에서는 제 9,11 스위치 소자(S9)(S11)가 꺼지고 제 10 스위치 소자(S10)가 켜져 프리윌링 모드로 동작하며 전압을 조정하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 내장된 강압형 컨버터를 사용하여 전체 회로의 부피가 감소하며, 높은 전력밀도를 갖도록 한 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터를 제공한다,
둘째, 보다 적은 스위치를 사용하여 전력밀도를 높이기 위해서 두 개의 DC/DC 컨버터를 통합한 통합형 DC/DC 컨버터를 구성하고, 3권선 변압기를 사용하여 각 부하에 맞게 3개의 권선 수를 조정하여 전압을 승/강압하여 변환 효율을 높인다.
셋째, 통합형 DC/DC 컨버터 구현으로 병렬형 DC/DC 컨버터에 비해 변압기 수를 줄이고, 전체 스위치 소자를 30% 이상 줄여 시스템 크기를 줄이고, 전력밀도를 높일 수 있도록 한다.
도 1은 종래 기술의 병렬형 DC/DC 컨버터의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터의 구성도
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터의 동작 상태 및 파형도
도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터의 부하 변동에 따른 효율 특성 그래프
이하, 본 발명에 따른 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터의 구성도이고, 도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터의 동작 상태 및 파형도이다.
본 발명에 따른 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터는 내장된 강압형 컨버터를 사용하여 전체 회로의 부피가 감소하며, 높은 전력밀도를 갖도록 한 것이다.
이를 위하여, 보다 적은 스위치를 사용하여 전력밀도를 높이기 위해서 두 개의 DC/DC 컨버터를 통합한 통합형 DC/DC 컨버터를 구성하고, 3권선 변압기를 사용하여 각 부하에 맞게 3개의 권선 수를 조정하여 전압을 승/강압하여 변환 효율을 높이는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터는 도 2에서와 같이, 3권선 변압기(20)의 일측에 연결되고, 제 1,2,3,4 스위치 소자(S1)(S2)(S3)(S4)를 갖고 위상천이형 제어를 통해서 동작하는 제 1 H-Bridge 컨버터(10)와, 각 부하에 맞게 3개의 권선 수를 조정하여 전압을 승/강압하는 3권선 변압기(20)와, 3권선 변압기(20)의 타측에 연결되고, 제 1 부하(Vo1)가 연결되어 제 5,6,7,8 스위치 소자(S5)(S6)(S7)(S8)를 갖고 동기정류기의 역할을 수행하는 제 2 H-Bridge 컨버터(30)와, 제 2 부하(Vo2)가 연결되어 제 9,10,11 스위치 소자(S9)(S10)(S11)를 갖고 변압된 전압을 제 2 부하(Vo2)에 맞게 조정하는 강압형 DC/DC 컨버터(40)를 포함한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 통합형 DC/DC 컨버터는 3권선 변압기(20)를 사용하여 각 부하에 맞게 3개의 권선 수를 조정하여 전압을 승/강압한다.
즉, 제 1 부하(Vo1)에 대해서는 Np : (Ns+Nt)의 권선비로 전압을 조정하고, 제 2 부하(Vo2)에 대해서는 Np:Nt의 권선비로 전압을 조정한다.
또한, 제 1 부하(Vo1)에 대해서는 제 1,2,3,4 스위치 소자(S1)(S2)(S3)(S4)를 갖는 제 1 H-Bridge 컨버터(10)와 제 5,6,7,8 스위치 소자(S5)(S6)(S7)(S8)를 갖는 제 2 H-Bridge 컨버터(30)를 사용하여 동작하고, 제 1 H-Bridge 컨버터(10)는 위상천이형 제어를 통해서 동작하고 제 2 H-Bridge 컨버터(30)는 동기정류기의 역할을 수행한다.
제 2 부하(Vo2)에 대해서는 제 1,2,3,4 스위치 소자(S1)(S2)(S3)(S4)를 갖는 제 1 H-Bridge 컨버터(10)와 제 9,10,11 스위치 소자(S9)(S10)(S11)를 갖는 강압형 DC/DC 컨버터(40)를 사용하여 동작한다.
이때 제 1 H-Bridge 컨버터(10)는 제 1 부하(Vo1)를 기준으로 위상천이 제어를 통해 제 2 부하(Vo2)에도 동일하게 동작하고, Np:Nt 의 권선비로 변압된 전압을 강압형 DC/DC 컨버터(40)를 사용하여 제 2 부하(Vo2)에 맞게 조정한다.
내장된 강압형 DC/DC 컨버터(40)는 도 3a와 도 3b에서와 같은 방식으로 동작한다.
즉, 제 1,4 스위치 소자(S1)(S4)가 동시에 켜질 때 제 9,11 스위치 소자(S9)(S11)가 듀티를 조정하여 켜지며 동작하게 되고, 그 이외의 상황에서는 제 9,11 스위치 소자(S9)(S11)가 꺼지고 제 10 스위치 소자(S10)가 켜져 프리윌링 모드로 동작하며 전압을 조정하게 된다.
이와 같은 본 발명에 따른 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터는 병렬형 DC/DC 컨버터에 비해 변압기가 줄고, 총 스위치가 30% 이상 줄기 때문에 시스템의 부피가 줄고, 이에 따라 전력밀도가 커지는 장점이 있다.
도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터의 부하 변동에 따른 효율 특성 그래프이다.
Vin : 300V, Vo1 : 450V, Po1 : 3.3kW, Vo2 : 12V, Po2 : 1.1kW 이고, Po2는 정격 1.1kW 유지한 상태로, Po1의 부하를 0~3.3kW로 변화하며 도출한 효율을 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 통합형 DC/DC 컨버터는 분리된 병렬형 DC/DC 컨버터에 비해 스위치의 개수를 30%이상 감소시키고, 다른 소자들의 개수도 줄인 상태로 두 개의 부하조건을 만족시키며 동작한다.
즉, 시스템의 부피를 줄여 전력밀도를 높이고, 사용되는 소자 수의 감소로 경제성이 증가한다는 장점이 있다.
또한, 제 1,2,3,4 스위치 소자(S1)(S2)(S3)(S4)를 갖는 제 1 H-Bridge 컨버터(10)의 제어는 동일한 채로 두 부하에 대한 제어가 진행되기 때문에, 두 개의 DC/DC 컨버터를 사용하는 회로보다 제어의 복잡성도 낮아진다는 장점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터는 내장된 강압형 컨버터를 사용하여 전체 회로의 부피가 감소하며, 높은 전력밀도를 갖도록 한 것이다.
또한, 보다 적은 스위치를 사용하여 전력밀도를 높이기 위해서 두 개의 DC/DC 컨버터를 통합한 통합형 DC/DC 컨버터를 구성하고, 3권선 변압기를 사용하여 각 부하에 맞게 3개의 권선 수를 조정하여 전압을 승/강압하여 변환 효율을 높이는 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10. 제 1 H-Bridge 컨버터
20. 3권선 변압기
30. 제 2 H-Bridge 컨버터
40. 강압형 DC/DC 컨버터

Claims (6)

  1. 3권선 변압기의 일측에 연결되고, 제 1,2,3,4 스위치 소자(S1)(S2)(S3)(S4)를 갖고 위상천이형 제어를 통해서 동작하는 제 1 H-Bridge 컨버터;
    각 부하에 맞게 3개의 권선 수를 조정하여 전압을 승/강압하는 3권선 변압기;
    3권선 변압기의 타측에 연결되고, 제 1 부하(Vo1)가 연결되어 제 5,6,7,8 스위치 소자(S5)(S6)(S7)(S8)를 갖고 동기정류기의 역할을 수행하는 제 2 H-Bridge 컨버터;
    제 2 부하(Vo2)가 연결되어 제 9,10,11 스위치 소자(S9)(S10)(S11)를 갖고 변압된 전압을 제 2 부하(Vo2)에 맞게 조정하는 강압형 DC/DC 컨버터;를 포함하고,
    상기 강압형 DC/DC 컨버터는, 제 1,4 스위치 소자(S1)(S4)가 동시에 켜질 때 제 9,11 스위치 소자(S9)(S11)가 듀티를 조정하여 켜지며 동작하게 되고, 그 이외의 상황에서는 제 9,11 스위치 소자(S9)(S11)가 꺼지고 제 10 스위치 소자(S10)가 켜져 프리윌링 모드로 동작하며 전압을 조정하는 것을 특징으로 하는 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 부하(Vo1)에 대해서는 Np : (Ns+Nt)의 권선비로 전압을 조정하고, 제 2 부하(Vo2)에 대해서는 Np:Nt 의 권선비로 전압을 조정하는 것을 특징으로 하는 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터.
  3. 제 2 항에 있어서, 제 1 부하(Vo1)에 대해서는 제 1,2,3,4 스위치 소자(S1)(S2)(S3)(S4)를 갖는 제 1 H-Bridge 컨버터와 제 5,6,7,8 스위치 소자(S5)(S6)(S7)(S8)를 갖는 제 2 H-Bridge 컨버터를 사용하여 동작하고,
    제 1 H-Bridge 컨버터는 위상천이형 제어를 통해서 동작하고 제 2 H-Bridge 컨버터는 동기정류기의 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터.
  4. 제 2 항에 있어서, 제 2 부하(Vo2)에 대해서는 제 1,2,3,4 스위치 소자(S1)(S2)(S3)(S4)를 갖는 제 1 H-Bridge 컨버터와 제 9,10,11 스위치 소자(S9)(S10)(S11)를 갖는 강압형 DC/DC 컨버터를 사용하여 동작하는 것을 특징으로 하는 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터.
  5. 제 4 항에 있어서, 제 1 H-Bridge 컨버터는 제 1 부하(Vo1)를 기준으로 위상천이 제어를 통해 제 2 부하(Vo2)에도 동일하게 동작하고, Np:Nt 의 권선비로 변압된 전압을 강압형 DC/DC 컨버터를 사용하여 제 2 부하(Vo2)에 맞게 조정하는 것을 특징으로 하는 2가지 부하를 갖는 통합형 DC/DC 컨버터.
  6. 삭제
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