KR102511904B1 - Dc-dc 부스트 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치 - Google Patents

Dc-dc 부스트 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치 Download PDF

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Abstract

실시예는 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치에 관한 것이다.
구체적으로, 이러한 전력변환장치는 영 전압 스위칭(zero voltage switching : ZVS)이 가능한 능동형 스너버(active snubber)를 제안하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로는, 제안한 능동형 스너버는 커패시터 2개와, 인덕터 1개, 보조 스위치 1개, 다이오드 1개로 구성된다. 그리고, 메인 스위치에 직렬로 연결된 인덕터는 메인 스위치와 보조 스위치가 ZVS가 가능하도록 한다. 또한, 이에 더하여 출력 다이오드에서 발생하는 역 회복 전류(reverse recovery current)로 인한 switching turn-on 손실을 제거한다. 추가적으로, 이러한 경우 상기 커패시터 2개는 보조 스위치와, 상기 1개의 다이오드로 연결된 전하 펌프 경로(charge pump path)를 형성하여 메인 스위치와 보조 스위치의 턴-오프 전압을 낮추어 switching turn-off 손실을 개선하는 역할을 하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 이를 통해 부하에 맞는 전력을 변환할 경우, 제안한 능동형 스너버 회로로부터 고속 스위칭을 수행함으로써, 회로의 전력밀도를 높인다.

Description

DC-DC 부스트 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치{Apparatus for converting power employing active snubber for improvement the reverse recovery characteristics of DC-DC boost bonverter}
본 명세서에 개시된 내용은 DC-DC 부스트 컨버터 기술 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력변환을 할 경우, 스너버 회로로부터 스위칭 손실을 줄여 고속 스위칭을 통해 회로의 전력밀도를 높이는 기술에 관한 것이다.
본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.
일반적으로, DC-DC 컨버터는 DC 입력 전압을 DC 출력 전압으로 변환하여 출력하는 장치로, 입력 전압을 승압 변환하여 출력하는 부스트 컨버터(boost converter)가 있다. 그리고, 이 외에도 입력 전압을 강압 변환하여 출력하는 벅(buck) 컨버터와, 및 입력 전압을 승압 또는 강압 변환하여 출력하는 벅/부스트 컨버터 등으로 구분될 수 있다.
이러한 다양한 DC-DC 컨버터들은 스위칭 소자의 듀티비를 조절하여 출력 전압을 조절하는데, 최근의 제품 소형화, 경량화 요구 추세에 따라 구조가 단순하고 제어가 용이하며 소형화가 가능한 PWM 방식의 스위칭 소자 제어 방식이 널리 이용되고 있다.
여기에서, 특히 부스트 컨버터는 구성과 제어가 간편하여 다양한 전력변환 시스템에 활용되고 있다. 하지만 hard-switching 조건에서 발생하는 switching turn-on/off 손실은 스위치 소자의 발열을 증가시키고, 회로 전체 효율을 저하시킨다. 또한, 부스트 컨버터의 스위치가 턴-온(turn-on) 되는 순간, 출력 다이오드의 역 회복 전류(reverse recovery current)가 스위치로 유입되면서 스위치의 turn-on 손실을 증가시킨다. 그래서, 이러한 스위치에서 발생하는 손실은 스위칭 동작 주파수에 비례하여 증가하기 때문에 회로의 전력밀도를 높이기 위한 고속 스위칭에 한계가 존재한다.
이러한 배경의 선행기술문헌은 아래의 특허문헌 등이다.
(특허문헌 0001) KR100638484 Y1
참고적으로, 위의 특허문헌 1의 기술은 제안한 스너버 회로 형태와 유사한 스너버 회로를 가지는데, 이는 부스트 컨버터 회로의 정류용 브리지 다이오드들의 역회복 특성에 따른 스위칭 손실을 줄인다.
그러나, 이러한 종래 기술은 정류용 브리지 다이오드의 동작과 역률 개선 회로의 동작을 동시에 처리하고, 입력 전압을 일정 전압으로 승압할 때 스너버 회로에 의하여 스위칭 손실을 감소시키는 것으로 차이점이 있다.
개시된 내용은, 부하에 맞는 전력을 변환할 경우, 제안한 능동형 스너버 회로로부터 고속 스위칭을 수행함으로써, 회로의 전력밀도를 높일 수 있도록 하는 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치는,
영 전압 스위칭(zero voltage switching : ZVS)이 가능한 능동형 스너버(active snubber)를 제안하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로는, 제안한 능동형 스너버는 커패시터 2개와, 인덕터 1개, 보조 스위치 1개, 다이오드 1개로 구성된다. 그리고, 메인 스위치에 직렬로 연결된 인덕터는 메인 스위치와 보조 스위치가 ZVS가 가능하도록 한다. 또한, 이에 더하여 출력 다이오드에서 발생하는 역 회복 전류(reverse recovery current)로 인한 switching turn-on 손실을 제거한다. 추가적으로, 이러한 경우 상기 커패시터 2개는 보조 스위치와, 상기 1개의 다이오드로 연결된 전하 펌프 경로(charge pump path)를 형성하여 메인 스위치와 보조 스위치의 턴-오프 전압을 낮추어 switching turn-off 손실을 개선하는 역할을 하는 것을 특징으로 한다.
보다 상세하게, 이러한 전력변환장치는,
기준 구동 전원을 입력받는 인덕터;
상기 인덕터에 의한 기준 구동 전원출력을 제어부의 제어신호에 따라 스위칭하여 직류 전원으로 변환하는 메인 스위치;
상기 메인 스위치에 의해 변환된 직류 전원을 정류하여 부하 측으로 출력하는 다이오드; 및
상기 다이오드에 의해 정류될 경우에 해당 직류 전원을 평활화하는 커패시터; 를 포함하고 있으며,
상기 인덕터와 상기 다이오드의 사이에 설치된 제 1 커패시터와, 상기 인덕터와 상기 제 1 커패시터의 연결된 일단과 상기 메인 스위치의 사이에 설치된 서브 인덕터, 상기 서브 인덕터와 상기 메인 스위치의 사이로부터 연결된 보조 스위치, 상기 보조 스위치와 상기 다이오드의 사이로부터 연결된 제 2 커패시터와 서브 다이오드를 구비한 능동형 스너버; 를 포함하고,
상기 능동형 스너버는,
a) 상기 메인 스위치에 직렬로 연결되어 상기 메인 스위치와 상기 보조 스위치에 의해 턴-온이 될 경우, 영 전압 스위칭(ZVS : Zero Voltage Switching)을 하면서, 상기 다이오드로부터의 역 회복 전류(reverse recovery current) 차단을 하고,
b) 상기 제 1 커패시터와 상기 제 2 커패시터는 상기 보조 스위치와 상기 서브 다이오드로 연결된 전하 펌프 경로(chagre pump path)를 형성하여 상기 메인 스위치와 상기 보조 스위치의 턴-오프 전압을 낮추는 것; 을 특징으로 한다.
실시예들에 의하면, 부하에 맞는 전력을 변환할 경우, 제안한 능동형 스너버 회로로부터 고속 스위칭을 수행함으로써, 회로의 전력밀도를 높인다.
도 1과 도 2는 일실시예에 따른 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치를 설명하기 위한 도면
도 3은 일실시예에 따른 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치의 동작 모드와 전류 흐름을 보여주는 도면
도 4는 일실시예에 따른 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치의 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면
도 1과 도 2는 일실시예에 따른 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치를 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로는, 도 1은 일실시예에 따른 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치의 구성을 도시한 회로도이다. 그리고, 도 2는 이러한 전력변환장치의 등가 회로이다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 전력변환장치는 기존과 같이, 미리 설정된 구동 전원을 여러 부하의 구동 전원에 맞게 변환하는 DC-DC 부스터 컨버터와, 이러한 변환시의 스위칭 손실을 줄이는 스너버 회로(110)를 포함한다.
부연하면, 상기 DC-DC 부스터 컨버터는 기본적으로 이를 위해 기준 구동 전원을 입력받는 인덕터(101)와, 상기 인덕터(101)에 의한 기준 구동 전원출력을 제어부의 제어신호에 따라 스위칭하여 직류 전원으로 변환하는 메인 스위치(102)를 포함한다. 그리고, 이러한 경우, 상기 메인 스위치(102)에 의해 변환된 직류 전원을 정류하여 부하 측으로 출력하는 다이오드(103)와, 상기 다이오드(103)에 의해 정류될 경우에 해당 직류 전원을 평활화하는 커패시터(104)를 포함한다.
이러한 상태에서, 일실시예에 따라 이러한 전력변환장치는 상기 스너버 회로(110)가 커패시터 2개(111, 114), 인덕터 1개(112), 보조 스위치 1개(113), 다이오드 1개(115)로 구성된다.
그리고, 이러한 경우, 상기 메인 스위치(102)에 직렬로 연결된 인덕터, 즉 서브 인덕터(112)는 메인 스위치(102)와 보조 스위치(113)가 영 전압 스위칭(zero voltage switching : ZVS)이 가능하도록 한다. 그리고, 또한 출력 다이오드(103)에서 발생하는 역 회복 전류로 인한 switching turn-on 손실을 제거한다. 이에 더하여, 제 1 커패시터(111)와 제 2 커패시터(114)는 보조 스위치(113)와, 서브 다이오드(115)로 연결된 전하 펌프 경로(charge pump path)를 형성하여 메인 스위치(102)와 보조 스위치(103)의 turn-off 전압을 낮추어 switching turn-off 손실을 개선하는 역할을 한다.
구체적으로는, 상기 스너버 회로(110)는 아래의 구성을 구비한다.
즉, 상기 스너버 회로(110)는,
상기 인덕터(101)와 상기 다이오드(103)의 사이에 설치된 제 1 커패시터(111)와;
상기 인덕터(101)와 상기 제 1 커패시터(111)의 연결된 일단과 상기 메인 스위치(102)의 사이에 설치된 서브 인덕터(112);
상기 서브 인덕터(112)와 상기 메인 스위치(102)의 사이로부터 연결된 보조 스위치(113);
상기 보조 스위치(113)와 상기 다이오드(103)의 사이로부터 연결된 제 2 커패시터(114)와 서브 다이오드(115); 를 구비한다.
이러한 일실시예에 따른 전력변환장치의 동작을 설명한다.
먼저, 이러한 전력변환장치는 기본적으로 기존과 같이, 부하에 전력을 공급할 경우에 메인 스위치(102)에서 기준 구동 전원을 제어신호에 따라 스위칭하여 부하에 맞는 직류 전원으로 변환해서 다이오드(103)를 통해 공급함으로써, 전력변환이 이루어진다.
이러한 상태에서, 일실시예에 따른 전력변환장치는 전술한 능동형 스너버(110)가 아래의 동작을 수행한다.
a) 즉, 상기 능동형 스너버(110)는 상기 메인 스위치(102)에 직렬로 연결되어 상기 메인 스위치(102)와 상기 보조 스위치(113)에 의해 턴-온이 될 경우, 영 전압 스위칭(ZVS)을 하면서, 상기 다이오드(103)로부터의 역 회복 전류 차단을 한다.
b) 그리고, 상기 제 1 커패시터(111)와 상기 제 2 커패시터(114)는 상기 보조 스위치(113)와 상기 서브 다이오드(115)로 연결된 chagre pump path를 형성하여 상기 메인 스위치(102)와 상기 보조 스위치(113)의 턴-오프 전압을 낮춘다.
따라서, 이를 통해 부하에 맞는 전력을 변환할 경우, 이러한 능동형 스너버 회로로부터 고속 스위칭을 수행함으로써, 회로의 전력밀도를 높인다.
추가적으로, 상기 전력변환장치의 동작 분석을 도 2의 등가 회로를 통해 간편하게 상세히 설명한다. 이에 대한 구체적인 설명은 아래의 도 3을 통해 설명한다.
먼저, 여기에서는 다음의 가정을 사용하여 제안한 회로의 등가회로를 구성하였다.
1) 모든 소자는 기생성분을 무시할 수 있는 이상적인 소자이다.
2) L m 은 전류 ripple을 무시할 수 있을 만큼 큰 값을 가지기 때문에 V IN 과 L m 을 ideal current source (I IN )으로 근사한다.
3) C 1, C 2, C O는 전압 ripple을 무시할 수 있을 정도로 충분히 큰 값을 가지기 때문에 각 capacitor의 전압을 ideal voltage source (V C 1, V C 2, V O )로 근사한다.
제안한 회로는 정상상태 조건에서 한 주기 (Ts) 동안 6개의 모드로 구분되어 동작하며, 각 동작 모드에 대한 등가회로와 전류 흐름은 아래의 도 3에 나타내었다. Mode 1이 시작되기 직전에 SW 1, D 1은 off, SW 2, D O 는 on 상태이며 I IN 은 D O 를 통해 출력으로 전달되고 있다.
도 3은 일실시예에 따른 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치의 동작 모드와 전류 흐름을 보여주는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 전력변환장치는 먼저 모드 1을 구동한다.
모드 1 : 보조 스위치(SW 2)가 턴-오프 되고 메인 스위치(SW 1)의 body diode가 턴-온 되면서 시작된다. 이때 서브 다이오드(D 1)는 오프, 다이오드(D O )는 온 상태를 유지한다. SW 1의 body diode를 통해 SW 1의 전류가 증가하면서 ZVS가 시작된다. 이므로 SW 1의 전류는 의 기울기로 증가한다. 모드 1은 SW 1의 전류가 0이 되는 순간 종료한다.
모드 2: 모드 2에서 SW 1은 완전히 turn-on 된다. 을 유지하기 때문에 SW 1의 전류 기울기는 모드 1과 동일하다. 모드 2는 SW 1의 전류가 I IN 에 도달하고 D O 가 trun-off 되는 순간 종료된다.
모드 3: 모드 3은 D O 가 turn-off되고 D 1이 turn-on 되며 SW 1은 on, SW 2는 off 상태를 유지한다. 이므로 SW 1의 전류는 기울기로 증가한다.
모드 4: 모드 4에서는 SW 1이 turn-on 되고 SW 2의 body diode가 turn-on 되어 SW 2의 ZVS가 시간되는 구간이다. 이 되므로 SW2의 전류는 의 기울기로 증가한다. 모드 4는 D 1이 turn-off되고, D O 가 turn-on 되는 순간 종료된다.
모드 5: 모드 5는 D 1이 turn-off 되고, D O 가 turn-on 되는 순간 시작되며 SW 1은 off, SW 2의 body diode는 on 상태를 유지한다. D O 가 turn-on 되어 입력에서 출력으로 전력 전달을 시작한다. 이때 가 되므로 SW 2의 전류는 의 기울기로 증가한다. Mode 5는 SW 2의 전류가 0이 되는 순간 종료된다.
모드 6: 모드 6은 SW 2가 온전히 turn-on 되고, SW 1, D 1은 off, D O 는 on 상태를 유지한다. 가 되므로 SW 2의 전류는 모드 5의 기울기와 동일하다. D O 를 통해 입력에서 출력으로 전력전달을 유지하며 SW 2가 turn-off, SW 1의 body diode가 turn-on 되는 순간 모드 6은 종료된다.
도 4와 표 1은 일실시예에 따른 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치의 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로는, 도 4는 이러한 전력변환장치의 PSIM 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이고, 표 1은 이러한 경우의 시뮬레이션 파라미터와 결과를 수치적으로 보여주는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치는 PSIM 시뮬레이션을 통해 출력 다이오드의 역회복 특성이 개선됨이 검증되었다.
구체적으로는 아래와 같다.
먼저, 여기에서의 회로를 검증하기 위해 아래의 표 1의 파라메터를 사용하여 기본 부스트 컨버터와 제안한 부스트 컨버터의 PSIM 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션에 사용된 출력 다이오드는 역 회복 전류 특성이 포함된 다이오드로 모델링하였으며 입력전압 12 V, 출력전압 40 V, 출력 전력 20 W, 스위칭 주파수 150 kHz, 정상상태 조건에서 메인스위치, 출력 diode의 전압, 전류 파형을 비교하였다. 각 소자의 전압, 전류 파형을 표시하기 위해 도 4의 전압 파형은 실제 값의 1/10로 나타내었다.
Figure 112020116189473-pat00001
그래서, 시뮬레이션 결과 기본 부스트 컨버터는 메인 스위치가 turn-on 되는 순간 출력 다이오드에서 발생한 역 회복 전류(peak: 3.73 A)가 스위치로 유입되어 스위치의 peak 전류가 5.20 A 까지 상승하였으며, 메인 스위치의 turn-off 전압은 출력전압과 동일한 40 V를 유지하였다. 그러나, 제안한 부스트 컨버터는 L r 에 의해 출력 다이오드의 역 회복 전류(peak: 0.54 A)가 제한되었으며, C 1과 C 2의 charge pump 구조에 의해 스위치의 turn-off 전압은 23.2 V로 감소하였다.
따라서, 이를 통해 일실시예에 따른 전력변환장치는 PSIM 시뮬레이션을 통해 출력 다이오드의 역회복 특성이 개선됨을 확인할 수 있다.
한편, 추가적으로 이러한 실시예에 따른 전력변환장치가 전술한 바에 따른 스위칭을 할 경우, 아래의 실시예에 따른 구성으로부터 스위칭 출력 전압을 안정화함으로써, 보다 향상된 회로의 전력밀도를 높일 수 있도록 하는 효과 등을 얻는다.
이를 위해, 상기 구성은 아래와 같이 이루어진다.
즉, 상기 구성은 상기 메인 스위치의 입력 측에 목적 온도에 따라 상이한 개수의 부성특성(-)을 가진 제 2 서브 다이오드를 연결해서, 상이한 목적 온도별로 출력전압을 안정화한다.
부연하면, 이러한 구성은 전력변환을 위한 스위칭을 할 경우, 온도가 증가함에 따라 저항값이 감소하게 되는 온도 보상용 수단으로부터 전압 안정도를 구현함으로써, 향상된 전압 안정도를 구현한다.
그리고, 이에 더하여 이렇게 출력전압을 안정화할 경우, 상기 제 2 서브 다이오드에 저항을 추가적으로 연결해서, 향상된 출력전압의 안정화를 이루도록 한다.
또한, 이러한 경우에 상기 저항은 다수개가 직렬로 연결되어 이루어지며, 이러한 다수개의 저항은 동일한 저항값으로 이루어짐으로써, 보다 향상된 출력전압의 안정화를 이루도록 한다.
101 : 인덕터 102 : 메인 스위치
103 : 다이오드 104 : 커패시터
110 : 능동형 스너버 회로 111 : 제 1 커패시터
112 : 서브 인덕터 113 : 보조 스위치
114 : 제 2 커패시터 115 : 서브 다이오드

Claims (5)

  1. 기준 구동 전원을 입력받는 인덕터;
    상기 인덕터에 의한 기준 구동 전원출력을 제어부의 제어신호에 따라 스위칭하여 직류 전원으로 변환하는 메인 스위치;
    상기 메인 스위치에 의해 변환된 직류 전원을 정류하여 부하 측으로 출력하는 다이오드; 및
    상기 다이오드에 의해 정류될 경우에 해당 직류 전원을 평활화하는 커패시터; 를 포함하고 있으며,
    상기 인덕터와 상기 다이오드의 사이에 설치된 제 1 커패시터와, 상기 인덕터와 상기 제 1 커패시터의 연결된 일단과 상기 메인 스위치의 사이에 설치된 서브 인덕터, 상기 서브 인덕터와 상기 메인 스위치의 사이로부터 연결된 보조 스위치, 상기 보조 스위치와 상기 다이오드의 사이로부터 연결된 제 2 커패시터와 서브 다이오드를 구비한 능동형 스너버; 를 포함하고,
    상기 능동형 스너버는,
    a) 상기 메인 스위치에 서브 인덕터를 직렬로 연결하여, 상기 서브 인덕터가 메인 스위치와 보조 스위치가 영 전압 스위칭(zero voltage switching : ZVS)이 가능하도록 함으로써,
    상기 메인 스위치와 상기 보조 스위치에 의해 턴-온이 될 경우, 영 전압 스위칭을 하면서, 상기 다이오드로부터의 역 회복 전류(reverse recovery current) 차단을 하고,
    b) 상기 제 1 커패시터와 상기 제 2 커패시터는 상기 보조 스위치와 상기 서브 다이오드로 연결된 전하 펌프 경로(chagre pump path)를 형성하여 상기 메인 스위치와 상기 보조 스위치의 턴-오프 전압을 낮춤으로써, 스위칭 턴-오프 손실을 개선하는 것; 을 특징으로 하는 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치.
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