KR102623743B1 - Dc-dc 컨버터 - Google Patents

Dc-dc 컨버터 Download PDF

Info

Publication number
KR102623743B1
KR102623743B1 KR1020210162800A KR20210162800A KR102623743B1 KR 102623743 B1 KR102623743 B1 KR 102623743B1 KR 1020210162800 A KR1020210162800 A KR 1020210162800A KR 20210162800 A KR20210162800 A KR 20210162800A KR 102623743 B1 KR102623743 B1 KR 102623743B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
switch
clamp
mode
turned
switches
Prior art date
Application number
KR1020210162800A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220170730A (ko
Inventor
김태웅
강준석
Original Assignee
경상국립대학교산학협력단
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 경상국립대학교산학협력단 filed Critical 경상국립대학교산학협력단
Publication of KR20220170730A publication Critical patent/KR20220170730A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102623743B1 publication Critical patent/KR102623743B1/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
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/083—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the ignition at the zero crossing of the voltage or the current
    • 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
    • H02M3/33573—Full-bridge at primary side of an isolation transformer
    • 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

Landscapes

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

Abstract

DC-DC 컨버터가 개시된다. 본 DC-DC 컨버터는 인덕터를 통해 입력 측과 연결되며, 서로 병렬로 연결된 복수의 클램프 스위치 및 복수의 클램프 스위치에 연결된 클램프 커패시터를 포함하는 클램프부, 클램프부와 병렬로 연결되며, 직렬 연결된 제1 및 제3 스위치를 포함하는 제1 스위칭부, 클램프부와 병렬로 연결되며, 직렬 연결된 제2 및 제4 스위치를 포함하는 제2 스위칭부, 제1 및 제3 스위치의 제2 중간 노드와 복수의 클램프 스위치와 클램프 커패시터 사이의 제1 중간 노드에 연결되는 제1 변압기, 제2 및 제4 스위치의 제3 중간 노드와 제1 중간 노드에 연결되는 제2 변압기, 및 제1 변압기 및 제2 변압기의 출력 전원을 정류하여 출력하는 정류 회로를 포함한다.

Description

DC-DC 컨버터{DC-DC CONVERTER}
본 개시는 DC-DC 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료 전지 시스템에 적합한 풀 브리지 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
최근 화석연료의 고갈 및 환경적, 사회적 문제로 인하여 친환경 신재생에너지 발전 및 공급에 대한 필요성이 중요시되며 발전시스템에 대한 연구개발이 진행 중이다.
현재 신재생에너지 발전시스템 중 관심을 받고 있는 연료전지는 저전압ㆍ대전류 특성을 가지며 불안정적인 특성을 띄어 상용전원 또는 고전압분야에 사용하기 위해서는 안정적인 승압용 컨버터와 인버터가 결합된 전력변환시스템이 필요하였다.
그러나 저전압 특성이 있는 연료전지의 승압을 위해서 많은 스위칭 소자가 필요하거나 인덕터가 커져서 전체적인 시스템이 커지는 단점이 있었다. 따라서, 연료 전지의 특성에 맞는 컨버터가 요구되었다.
본 개시는 이상과 같은 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로, 본 개시의 목적은 연료 전지 시스템에 적합한 풀 브리지 DC-DC 컨버터를 제공하는데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 개시의 일 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터는 인덕터를 통해 입력 측과 연결되며, 서로 병렬로 연결된 복수의 클램프 스위치 및 상기 복수의 클램프 스위치에 연결된 클램프 커패시터를 포함하는 클램프부, 상기 클램프부와 병렬로 연결되며, 직렬 연결된 제1 및 제3 스위치를 포함하는 제1 스위칭부, 상기 클램프부와 병렬로 연결되며, 직렬 연결된 제2 및 제4 스위치를 포함하는 제2 스위칭부, 상기 제1 및 제3 스위치의 제2 중간 노드와 상기 복수의 클램프 스위치와 상기 클램프 커패시터 사이의 제1 중간 노드에 연결되는 제1 변압기, 상기 제2 및 제4 스위치의 제3 중간 노드와 상기 제1 중간 노드에 연결되는 제2 변압기, 및 상기 제1 변압기 및 상기 제2 변압기의 출력 전원을 정류하여 출력하는 정류 회로를 포함한다.
이 경우, 상기 클램프부, 일단이 상기 입력 측과 연결되며, 제1 제어 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 제1 클램프 스위치, 일단이 상기 입력 측과 연결되며, 제2 제어 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 제2 클램프 스위치, 일 단이 상기 제1 클램프 스위치에 연결된 제1 클램프 커패시터, 일 단이 상기 제2 클램프 스위치에 직렬 연결된 제2 클램프 커패시터, 및 일 단이 상기 제1 클램프 커패시터와 상기 제2 클램프 커패시터에 공통 연결되는 제3 클램프 커패시터를 포함할 수 있다.
한편, 본 DC-DC 컨버터는 상기 DC-DC 컨버터는 제1 내지 제8 모드로 구분되어 스위칭 동작이 수행되며, 상기 모드에 맞는 스위칭 상태를 갖도록 상기 복수의 클램프 스위치 및 상기 제1 내지 제4 스위치를 제어하는 프로세서를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 제1 모드에서, 상기 제1 내지 제4 스위치는 턴-온되고, 상기 복수의 클램프 스위치 내의 제1 클램프 스위치 및 제2 클램프 스위치는 턴-오프되고, 상기 제2 모드에서, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치는 턴-온되고, 상기 제1 클램프 스위치, 상기 제2 클램프 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치는 턴-오프되고, 상기 제3 모드에서, 상기 제1 클램프 스위치, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치는 턴-온되고, 상기 제2 클램프 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치는 턴-오프되고, 상기 제4 모드에서, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치는 턴-온되고, 상기 제1 클램프 스위치, 상기 제2 클램프 스위치, 제2 스위치 및 상기 제3 스위치는 턴-오프되고, 상기 제5 모드에서, 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치, 상기 제3 스위치, 및 상기 제4 스위치는 턴-온되고, 상기 제1 클램프 스위치 및 상기 제2 클램프 스위치는 턴-오프되고, 상기 제 6모드에서, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치는 턴-온되고, 상기 제1 클램프 스위치, 상기 제2 클램프 스위치, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치는 턴-오프되고, 상기 제7 모드에서, 상기 제2 클램프 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치는 턴-온되고, 상기 제1 클램프 스위치, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치는 턴-오프되고, 상기 제8 모드에서, 제2 스위치, 상기 제3 스위치는 턴-온되고, 상기 제1 클램프 스위치, 상기 제2 클램프 스위치, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치는 턴-오프될 수 있다.
이 경우, 상기 제2 모드, 상기 제4 모드, 상기 제6 모드 및 상기 제8 모드는 영 전압 스위치(zero voltage switching)을 위한 모드로, 상기 제1 모드, 상기 제3 모드, 상기 제5 모드 및 상기 제7 모드보다 짧은 동작 구간을 가질 수 있다.
한편, 상기 프로세서는 상기 DC-DC 컨버터가 상기 제1 모드부터 상기 제8 모드로 순차적으로 변경되도록 상기 복수의 클램프 스위치 및 상기 제1 내지 제4 스위치를 제어할 수 있다.
한편, 상기 인덕터는 연료 전지에 연결될 수 있다.
한편, 상기 입력 측으로부터 50V 이하의 전원이 입력되고, 상기 정류 회로는, 300V 이상의 DC 전압을 출력할 수 있다.
이상과 같은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 본 개시에서 제안한 저전압 및 대전류 특성을 갖는 연료 전지에 대해서 효율이 높은 DC-DC 컨버터를 구현할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터의 구성을 설명하기 위한 회로도,
도 2 내지 도 17은 본 개시의 일 실시 예에 따라, 각 모드에서 스위치에 인가되는 제어 신호 및 그에 따라 DC-DC 컨버터의 전류 및 전압에 대한 파형을 나타내는 도면, 그리고
도 18은 본 개시의 일 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터에 대한 시뮬레이션을 나타내는 도면이다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 개시에 대해서 자세하게 설명한다. 본 개시에서 수행되는 정보(데이터) 전송 과정은 필요에 따라서 암호화/복호화가 적용될 수 있으며, 본 개시 및 특허청구범위에서 정보(데이터) 전송 과정을 설명하는 표현은 별도로 언급되지 않더라도 모두 암호화/복호화하는 경우도 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 본 개시에서 "A로부터 B로 전송(전달)" 또는 "A가 B로부터 수신"과 같은 형태의 표현은 중간에 다른 매개체가 포함되어 전송(전달) 또는 수신되는 것도 포함하며, 반드시 A로부터 B까지 직접 전송(전달) 또는 수신되는 것만을 표현하는 것은 아니다.
본 개시의 설명에 있어서 각 단계의 순서는 선행 단계가 논리적 및 시간적으로 반드시 후행 단계에 앞서서 수행되어야 하는 경우가 아니라면 각 단계의 순서는 비제한적으로 이해되어야 한다. 즉, 위와 같은 예외적인 경우를 제외하고는 후행 단계로 설명된 과정이 선행단계로 설명된 과정보다 앞서서 수행되더라도 개시의 본질에는 영향이 없으며 권리범위 역시 단계의 순서에 관계없이 정의되어야 한다. 그리고 본 명세서에서 "A 또는 B"라고 기재한 것은 A와 B 중 어느 하나를 선택적으로 가리키는 것뿐만 아니라 A와 B 모두를 포함하는 것도 의미하는 것으로 정의된다. 또한, 본 개시에서 "포함"이라는 용어는 포함하는 것으로 나열된 요소 이외에 추가로 다른 구성요소를 더 포함하는 것도 포괄하는 의미를 가진다.
본 개시에서는 본 개시의 설명에 필요한 필수적인 구성요소만을 설명하며, 본 개시의 본질과 관계가 없는 구성요소는 언급하지 아니한다. 그리고 언급되는 구성요소만을 포함하는 배타적인 의미로 해석되어서는 안 되며 다른 구성요소도 포함할 수 있는 비배타적인 의미로 해석되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 이용하여 본 개시의 다양한 실시 예들에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터의 구성을 설명하기 위한 회로도이다.
도 1을 참조하면, DC-DC 컨버터(100)는 클램프부(110), 스위칭부(120), 변압기부(130), 정류 회로(140) 및 제어 회로(150)를 포함할 수 있다. 이러한 DC-DC 컨버터(100)는 저전압 및 고전류 특성을 갖는 연료 전지에 대한 전력 변환 시스템에 적용될 수 있다. 한편, 저전압 및 고전류 특성을 갖는 경우라면, 연료 전지 이외에 따른 발전 시스템에도 적용될 수 있다.
클램프부(110)는 인덕터(20, Lin)를 통해 입력 측과 연결된다. 이러한 입력 측에는 연료 전지에 연결될 수 있다.
그리고 클램프부(110)는 서로 병렬로 연결된 복수의 클램프 스위치 및 복수의 클램프 스위치에 연결된 클램프 커패시터를 포함한다. 구체적으로, 클램프부(110)는 제1 클램프 스위치(111, gsc1), 제2 클램프 스위치(112, gsc2), 제1 클램프 커패시터(113), 제2 클램프 커패시터(114), 제3 클램프 커패시터(115)를 포함할 수 있다.
제1 클램프 스위치(111)는 일 단이 입력 측(구체적으로, 인덕터(20))에 연결되고, 타 단이 제1 클램프 커패시터(113)에 연결되며, 제어 신호에 따라 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
제2 클램프 스위치(112)는 일 단이 입력 측(구체적으로, 인덕터(20))에 연결되고, 타 단이 제2 클램프 커패시터(114)에 연결되며, 제어 신호에 따라 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
이러한 제1 클램프 스위치(111)와 제2 클램프 스위치(112)는 반도체 스위칭 소자로서, IGBT일 수 있다. 그러나 구현시에는 IGBT 이외에 다른 반도체 스위치(예를 들어, MOSFET)를 이용할 수 있다.
제1 클램프 커패시터(113)는 일 단이 제1 클램프 스위치(111)에 연결되고, 타 단이 제2 클램프 커패시터(114)와 제3 클램프 커패시터(115)에 공통으로 연결될 수 있다. 이러한 제1 클램프 커패시터(113)는 제1 클램프 스위치(111)의 스위칭 동작에 따라 충전 동작 및 방전 동작이 이루어질 수 있다.
제2 클램프 커패시터(114)는 일 단이 제2 클램프 스위치(112)에 연결되고, 타 단이 제1 클램프 커패시터(113)와 제3 클램프 커패시터(115)에 공통으로 연결될 수 있다. 이러한 제2 클램프 커패시터(114)는 제2 클램프 스위치(112)의 스위칭 동작에 따라 충전 동작 및 방전 동작이 이루어질 수 있다.
제3 클램프 커패시터(115)는 일 단이 제1 클램프 커패시터(113)와 제2 클램프 커패시터(114)에 공통으로 연결되며, 타단이 연료 전지(10)와 스위칭부(120)에 공통으로 연결될 수 있다.
이하에서는 설명을 용이하게 하기 위하여, 제1 클램프 커패시터(113)의 타단, 제2 클램프 커패시터(114)의 타단 및 제3 클램프 커패시터(115)의 일단이 연결되는 노드를 제1 중간 노드로 지칭한다.
스위칭부(120)는 클램프부(110)와 병렬로 연결되며, 제1 내지 제4 스위치를 포함할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의상 직렬 연결된 제1 스위치(121)와 제3 스위치(123)를 제1 스위칭부로 지칭하고, 제2 스위치(122)와 제4 스위치(124)를 제2 스위칭부로 지칭한다.
제1 스위칭부는 클램프부(110)와 병렬로 연결되며, 직렬 연결된 제1 스위치(121) 및 제3 스위치(123)을 포함한다.
제1 스위치(121)는 일 단이 클램프부(110)와 입력 측(구체적으로, 인덕터(20))에 공통으로 연결되고, 타 단이 제3 스위치(123)의 일 단과 변압부(130)(구체적으로, 제1 변압기(131)의 1차측의 일 단)에 공통으로 연결될 수 있다.
제3 스위치(123)는 일 단이 제1 스위치(121)의 타 단과 변압부(130)(구체적으로, 제1 변압기(131)의 1차측의 일 단)에 공통으로 연결되고, 타 단이 클램프부(110)의 타단에 연결될 수 있다.
이하에서는, 제1 스위치(121)의 타 단과 제3 스위치(123)의 일 단이 상호 접속하는 노드를 제2 중간 노드라고 지칭한다.
제2 스위칭부는 클램프부(110)와 병렬로 연결되며, 직렬 연결된 제2 스위치(122) 및 제4 스위치(124)을 포함한다.
제2 스위치(122)는 일 단이 클램프부(110)와 입력 측(구체적으로, 인덕터(20))에 공통으로 연결되고, 타 단이 제4 스위치(124)의 일 단과 변압부(130)(구체적으로, 제2 변압기(132)의 1차측의 일 단)에 공통으로 연결될 수 있다. 이러한 제2 스위치는 제3 스위치와 연동하여 함께 동작할 수 있다. 즉, 제3 스위치가 턴-온되는 경우, 제2 스위치도 함께 턴-온되며, 제2 스위치가 턴-오프 상태이며, 제3 스위치도 함께 턴-오프 상태일 수 있다.
제4 스위치(123)는 일 단이 제2 스위치(122)의 타 단과 변압부(130)(구체적으로, 제2 변압기(132)의 1차측의 일 단)에 공통으로 연결되고, 타 단이 클램프부(110)의 타단에 연결될 수 있다. 이러한 제4 스위치는 제1 스위치와 연동하여 함께 동작할 수 있다. 즉, 제1 스위치가 턴-온되는 경우, 제4 스위치도 함께 턴-온되며, 제1 스위치가 턴-오프 상태이며, 제4 스위치도 함께 턴-오프 상태일 수 있다.
이하에서는, 제2 스위치(122)의 타 단과 제4 스위치(124)의 일 단이 상호 접속하는 노드를 제3 중간 노드라고 지칭한다.
상술한 제1 스위치 내지 제4 스위치는 반도체 스위치 소자를 이용할 수 있으며, 예를 들어, IGBT, MOSFET 등을 이용할 수 있다.
변압기부(130)는 전압을 변압하여 출력하며, 제1 변압기(131) 및 제2 변압기(132)를 포함할 수 있다.
제1 변압기(131)는 1차측 코일의 일 단이 제2 중간 노드에 연결되고, 1차측 코일의 타 단이 제1 중간 노드에 연결될 수 있다. 이러한 제1 변압기(131)는 1차측 코일에 직렬 연결되는 인덕터(Llk_1)를 포함할 수 있다. 이러한 제1 변압기(131)는 1차측과 2차측 권선비가 1:3일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제2 변압기(132)는 1차측 코일의 일 단이 제3 중간 노드에 연결되고, 1차측 코일의 타 단이 제1 중간 노드에 연결될 수 있다. 이러한 제2 변압기(132)는 1차측 코일에 직렬 연결되는 인덕터(Llk_2)를 포함할 수 있다. 이러한 제2 변압기(132)는 1차측과 2차측 권선비가 1:3일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
정류 회로(140)는 제1 변압기(131) 및 제2 변압기(132)의 출력 전원을 정류하여 출력한다. 구체적으로, 정류 회로(140)는 복수의 커패시터 및 복수의 다이오드를 포함하며, 제1 변압기(131) 및 제2 변압기(132)에서 출력되는 출력 전원을 정류하여 출력할 수 있다. 또한, 정류 회로(140)는 정류된 전원을 평활하는 출력 커패시터(Co)를 더 포함할 수 있다. 한편, 도시된 예에서는 4개의 다이오드와 4개의 커패시터를 이용하여 정류 회로를 구성하였으나, 구현시에는 다른 소자 또는 다른 개수의 다이오드와 커패시터를 이용하여 정류 회로를 구현할 수도 있다.
제어 회로(150)는 DC-DC 컨버터(100) 내의 복수의 스위치를 제어한다. 구체적으로, 제어 회로(150)는 프로세서를 포함할 수 있으며, 프로세서는 DC-DC 컨버터가 순차적으로 제1 모드 내지 제8 모드로 동작하도록 복수의 스위치의 턴-온/턴-오프 상태를 제어할 수 있다. 구체적으로, 프로세서는 각 동작 모드별로 아래와 같이 복수의 스위치가 동작하도록 할 수 있다.
모드 1 모드 2 모드 3 모드 4 모드 5 모드 6 모드 7 모드 8
g1, g4 on on on on on off off off
g2, g3 on off off off on on on on
gsc1 off off on off off off off off
gsc2 off off off off off off on off
여기에서, g1은 제1 스위치(121), g2는 제2 스위치(122), g3는 제3 스위치(123), g4는 제4 스위치(124), gsc1는 제1 클램프 스위치(111), gsc2는 제2 클램프 스위치(112)를 나타낸다.
각 모드에서의 스위치 상태 및 그에 따른 전류 흐름에 대해서는 도 2 내지 도 17을 참조하여 후술한다.
도 2 내지 도 17은 본 개시의 일 실시 예에 따라, 각 모드에서 스위치에 인가되는 제어 신호 및 그에 따라 DC-DC 컨버터의 전류 및 전압에 대한 파형을 나타내는 도면이다.
구체적으로, 도 2 및 도 3은 제1 모드의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 모드에서 제1 내지 제4 스위치(g1, g2, g3, g4)는 턴-온 상태이고, 복수의 클램프 스위치 내의 제1 클램프 스위치(gsc1) 및 제2 클램프 스위치(gsc2)는 턴-오프 상태이다.
이에 따라, 인덕터를 인덕터(Lin), 제1 스위치(g1), 제3 스위치(g3)를 경유하는 전류 패스와 인덕터(Lin), 제2 스위치(g2) 및 제4 스위치(g4)를 경유하는 제2 전류 패스가 형성된다. 그리고 전류가 흐름에 따라 점차 DC-DC 컨버터 내의 유입되는 전류(iL)는 증가하게 된다.
도 4 및 도 5은 제2 모드의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5을 참조하면, 제2 모드에서 제1 스위치(g1) 및 제4 스위치(g4)는 턴-온 상태이고, 제1 클램프 스위치(gsc1), 제2 클램프 스위치(gsc2), 제2 스위치(g2) 및 제3 스위치(g3)는 턴-오프 상태이다.
제1 모드와 비교하였을 때, 제2 스위치(g2) 및 제3 스위치(g3)가 턴-온 상태에서 턴-오프 상태로 천이된다.
이에 따라, 제2 모드에서는 인덕터(Lin), 제1 스위치(g1), 제1 변압기, 제3 클램프 커패시터를 경유하는 전류 패스와 인덕터(Lin), 제1 스위치(g1), 제1 변압기, 제2 변압기, 제4 스위치(g2)를 경유하는 전류 패스가 형성된다.
이와 같은 전류 패스에 의하여 클램프부(110) 내의 커패시터들은 충전된다.
도 6 및 도 7은 제3 모드의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 제3 모드에서 제1 클램프 스위치(gsc1), 제1 스위치(g1) 및 제4 스위치(g4)는 턴-온 상태이고, 제2 클램프 스위치(gsc2), 제2 스위치(g2) 및 제3 스위치(g3)는 턴-오프 상태이다.
제2 모드와 비교하였을 때, 제1 클램프 스위치(gsc1)가 턴-온되기 때문에 제3 모드에서는 인덕터(Lin)와 제1 클램프 스위치(gsc1), 제1 클램프 커패시터 및 제3 클램프 커패시터(Csc)를 지나는 전류 패스가 추가된다.
이에 따라 제1 클램프 스위치(gsc1)에 대한 ZVS 동작이 수행되고, 입력 전류가 감소하며, 2차측에 에너지가 전달된다.
도 8 및 도 9는 제4 모드의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 제4 모드에서 제1 스위치(g1) 및 제4 스위치(g4)는 턴-온 상태이고, 제1 클램프 스위치(gsc1), 제2 클램프 스위치(gsc2), 제2 스위치(g2) 및 제3 스위치(g3)는 턴-오프 상태이다.
제3 모드와 비교하였을 때, 제1 클램프 스위치(gsc1)가 턴-온 상태에서 턴-오프 상태로 변환한다.
제4 모드의 스위치 상태는 제2 모드와 동일하나, 제3 모드에서 제1 클램프 스위치(gsc1)를 통한 전류 패스가 형성된 상태라는 점에서, DC-DC 컨버터 내의 커패시터(Cgcs1, Cgcs2, Cg2, Cg3)와 인덕터(Llk_1, Llk_2)에 의한 공진이 발생하며, 클램프부 내의 커패시터(Cgcs1, Cgcs2, Cg2, Cg3) 내의 방전이 발생한다.
도 10 및 도 11은 제5 모드의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 제5 모드에서 제1 스위치(g1), 제2 스위치(g2), 제3 스위치(g3), 및 제4 스위치(g4)는 턴-온 상태이고, 제1 클램프 스위치(gsc1) 및 제2 클램프 스위치(gsc2)는 턴-오프 상태이다.
제5 모드는 제1 모드와 동일한 스위칭 상태를 가지나, 클램프부 내의 커패시터의 방전 동작이 수행됨에 따라, 변압기를 경유하는 전류 흐름이 유지된다.
도 12 및 도 13은 제6 모드의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 제 6모드에서, 제2 스위치(g2) 및 제3 스위치(g3)는 턴-온 상태이고, 제1 클램프 스위치(gsc1), 제2 클램프 스위치(gsc2), 제1 스위치(g1) 및 제4 스위치(g4)는 턴-오프 상태이다.
제5 모드와 비교하였을 때, 제1 스위치(g1) 및 제4 스위치(g4)가 턴-온 상태에서 턴-오프 상태로 천이된다.
이에 따라, 제5 모드에서는 인덕터(Lin), 제2 스위치(g2), 제2 변압기, 제3 클램프 커패시터(Csc)를 경유하는 전류 패스와 인덕터(Lin), 제2 스위치(g2), 제2 변압기, 제1 변압기, 제3 스위치(g3)를 경유하는 전류 패스가 형성된다.
이와 같은 전류 패스에 의하여 클램프부(110) 내의 커패시터들의 충전이 진행된다.
도 14 및 도 15는 제7 모드의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 제7 모드에서 제2 클램프 스위치(gsc2), 제2 스위치(g2) 및 제3 스위치(g3)는 턴-온 상태이고, 제1 클램프 스위치(gsc1), 제1 스위치(g1) 및 제4 스위치(g4)는 턴-오프 상태이다.
제6 모드와 비교하였을 때 제2 클램프 스위치(gsc2)가 턴-온 상태로 변환하였기 때문에, 제7 모드에서는 인덕터(Lin)와 제2 클램프 스위치(gsc1), 제2 클램프 커패시터(Cgsc) 및 제3 클램프 커패시터(Csc)를 경유하는 전류 패스가 추가된다.
이에 따라 제2 클램프 스위치에 대한 ZVS 동작이 수행되고, 입력 전류가 감소하며, 2차측에 에너지가 전달된다.
도 16 및 도 17은 제8 모드의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 제8 모드에서, 제2 스위치(g2), 제3 스위치(g3)는 턴-온 상태이고, 제1 클램프 스위치(gsc1), 제2 클램프 스위치(gsc2), 제1 스위치(g1) 및 제4 스위치(g4)는 턴-오프 상태이다.
제7 모드와 비교하였을 때, 제2 클램프 스위치(gsc2)가 턴-온 상태에서 턴-오프 상태로 변환하였다.
제8 모드의 스위치 상태는 제6 모드와 동일하나, 제7 모드에서 제2 클램프 스위치(gsc2)를 통한 전류 패스가 형성된 상태라는 점에서, DC-DC 컨버터 내의 커패시터와 인덕터(Llk_1, Llk_2)에 의한 공진이 발생하며, 클램프부 내의 커패시터 내의 방전에 의한 전류 흐름이 유지된다.
도 18은 본 개시의 일 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터에 대한 시뮬레이션을 나타내는 도면이다.
시뮬레이션에 이용된 파라미터는 하기의 표 2와 같다.
item value
input source(Vin) 40V
output source(Vout) 380V
switching frequency(fs) 10kHz
input inductance(Li) 1mH
leakage inductance(Llk1,Llk2) 15uH
magnetizing inductance(Lm1, Lm2) 300uH
resonance capacitor(Csn, Ccs1, Ccs2) 0.01uF
clamp capacitor(Cc1, Cc2) 47uF
output capacitor(Cn, Co) 120uF
transformer ration(N1:N2) 1:3
lad(Ro) 150Ω
시뮬레이션을 통해, 시스템 동작에 있어서, 스위치 천이 과정에서 ZVS 동작이 이루어지는 확인하였다.
도 18을 참조하면, 제1 클램프 스위치의 턴-온에서 턴-오프 과정 중에 ZVS를 확보함을 확인할 수 있으며, 동일하게 제2 클램프 스위치의 턴-온에서 턴-오프 과정에서 ZVS를 확보함을 확인할 수 있다. 또한, 제1 스위치 및 제4 스위치와 제2 스위치와 제3 스위치가 턴-오프 상태에서 턴-온 상태로 천이하는 과정 중에 ZVS가 확보됨을 확인할 수 있다.
또한, 본 개시에 따른 시뮬레이션 결과에서는 전환 효율이 92%인 것으로 확인되었다. 따라서, 본 개시에 따른 DC-DC 컨버터를 이용하면, 저전압 및 고전류인 연료 전지에 대해서 높은 효율로 전력 변환을 수행하는 것이 가능하다.
또한, 기존의 병렬 능동클램프 풀 브리지는 ZVS 영역이 0.5 < D < 1이나, 본 개시에 따른 방식은 0 < D < 1의 영역을 가지며, 기존의 전 부하 능동클램프 하프 브리지는 주 스위치 전류 부담이 2배이나, 본 개시에 따른 방식은 1배로 주스위치 전류 부담을 경감할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : DC-DC 컨버터 110: 클램프부
120: 스위칭부 130: 변압기부
150: 프로세서

Claims (8)

  1. DC-DC 컨버터에 있어서,
    인덕터를 통해 입력 측과 연결되며, 서로 병렬로 연결된 복수의 클램프 스위치 및 상기 복수의 클램프 스위치에 연결된 클램프 커패시터를 포함하는 클램프부;
    상기 클램프부와 병렬로 연결되며, 직렬 연결된 제1 및 제3 스위치를 포함하는 제1 스위칭부;
    상기 클램프부와 병렬로 연결되며, 직렬 연결된 제2 및 제4 스위치를 포함하는 제2 스위칭부;
    상기 제1 및 제3 스위치의 제2 중간 노드와 상기 복수의 클램프 스위치와 상기 클램프 커패시터 사이의 제1 중간 노드에 연결되는 제1 변압기;
    상기 제2 및 제4 스위치의 제3 중간 노드와 상기 제1 중간 노드에 연결되는 제2 변압기; 및
    상기 제1 변압기 및 상기 제2 변압기의 출력 전원을 정류하여 출력하는 정류 회로;를 포함하는 DC-DC 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 클램프부는,
    일단이 상기 입력 측과 연결되며, 제1 제어 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 제1 클램프 스위치;
    일단이 상기 입력 측과 연결되며, 제2 제어 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 제2 클램프 스위치;
    일 단이 상기 제1 클램프 스위치에 연결된 제1 클램프 커패시터;
    일 단이 상기 제2 클램프 스위치에 직렬 연결된 제2 클램프 커패시터; 및
    일 단이 상기 제1 클램프 커패시터와 상기 제2 클램프 커패시터에 공통 연결되는 제3 클램프 커패시터;를 포함하는 DC-DC 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터는 제1 내지 제8 모드로 구분되어 스위칭 동작이 수행되며, 상기 모드에 맞는 스위칭 상태를 갖도록 상기 복수의 클램프 스위치 및 상기 제1 내지 제4 스위치를 제어하는 프로세서;를 더 포함하고,
    상기 제1 모드에서, 상기 제1 내지 제4 스위치는 턴-온되고, 상기 복수의 클램프 스위치 내의 제1 클램프 스위치 및 제2 클램프 스위치는 턴-오프되고,
    상기 제2 모드에서, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치는 턴-온되고, 상기 제1 클램프 스위치, 상기 제2 클램프 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치는 턴-오프되고,
    상기 제3 모드에서, 상기 제1 클램프 스위치, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치는 턴-온되고, 상기 제2 클램프 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치는 턴-오프되고,
    상기 제4 모드에서, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치는 턴-온되고, 상기 제1 클램프 스위치, 상기 제2 클램프 스위치, 제2 스위치 및 상기 제3 스위치는 턴-오프되고,
    상기 제5 모드에서, 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치, 상기 제3 스위치, 및 상기 제4 스위치는 턴-온되고, 상기 제1 클램프 스위치 및 상기 제2 클램프 스위치는 턴-오프되고,
    상기 제 6모드에서, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치는 턴-온되고, 상기 제1 클램프 스위치, 상기 제2 클램프 스위치, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치는 턴-오프되고,
    상기 제7 모드에서, 상기 제2 클램프 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치는 턴-온되고, 상기 제1 클램프 스위치, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치는 턴-오프되고,
    상기 제8 모드에서, 제2 스위치, 상기 제3 스위치는 턴-온되고, 상기 제1 클램프 스위치, 상기 제2 클램프 스위치, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치는 턴-오프되는 DC-DC 컨버터.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 모드, 상기 제4 모드, 상기 제6 모드 및 상기 제8 모드는 영 전압 스위치(zero voltage switching)을 위한 모드로, 상기 제1 모드, 상기 제3 모드, 상기 제5 모드 및 상기 제7 모드보다 짧은 동작 구간을 갖는 DC-DC 컨버터.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 DC-DC 컨버터가 상기 제1 모드부터 상기 제8 모드로 순차적으로 변경되도록 상기 복수의 클램프 스위치 및 상기 제1 내지 제4 스위치를 제어하는 DC-DC 컨버터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인덕터는 연료 전지에 연결되는 DC-DC 컨버터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 입력 측으로부터 50V 이하의 전원이 입력되고,
    상기 정류 회로는,
    300V 이상의 DC 전압을 출력하는 DC-DC 컨버터.

KR1020210162800A 2021-06-23 2021-11-23 Dc-dc 컨버터 KR102623743B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210081323 2021-06-23
KR20210081323 2021-06-23

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220170730A KR20220170730A (ko) 2022-12-30
KR102623743B1 true KR102623743B1 (ko) 2024-01-12

Family

ID=84538626

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210162800A KR102623743B1 (ko) 2021-06-23 2021-11-23 Dc-dc 컨버터

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102623743B1 (ko)

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT201900006000A1 (it) * 2019-04-17 2020-10-17 St Microelectronics Srl Un procedimento per operare un convertitore flyback avente un clamp attivo, corrispondente circuito di controllo e convertitore flyback

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Jiye Liu,A Dual-Active-Clamp Quasi-Resonant Isolated Boost Converter for PV Integration to Medium-Voltage DC Grids,IEEE Jrn'l of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vo.8, is.4(2020.12)
Prasanna U R,Extended Range ZVS Active-Clamped Current-Fed Full-Bridge Isolated DC/DC Converter for Fuel Cell Applications:Analysis,Design,Results,IEEE Trans. on INDUSTRIAL ELECTRONICS,vo.60(2013.07)

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220170730A (ko) 2022-12-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10581334B2 (en) DC-DC converter and control method
Zheng et al. High step-up DC–DC converter with zero voltage switching and low input current ripple
CN106059313B (zh) 有源钳位的反激电路及其控制方法
US9252677B2 (en) Quasi resonant push-pull converter and control method thereof
US8363427B2 (en) Bi-directional power converter with regulated output and soft switching
Lee et al. A two-stage isolated/bidirectional DC/DC converter with current ripple reduction technique
US8472219B2 (en) Method and systems for converting power
Yan et al. A novel interleaved nonisolated bidirectional DC–DC converter with high voltage-gain and full-range ZVS
Kim et al. A three-phase zero-voltage and zero-current switching DC–DC converter for fuel cell applications
Castelino et al. A bi-directional, isolated, single-stage, DAB-based AC-DC converter with open-loop power factor correction and other advanced features
KR102009351B1 (ko) ２개의 변압기 구조를 사용해 균형있는 ２차측 전류를 갖는 고효율 ｌｌｃ 공진 컨버터
Deng et al. A hybrid-bridge and hybrid modulation-based dual-active-bridge converter adapted to wide voltage range
Lin et al. Soft-switching converter with two series half-bridge legs to reduce voltage stress of active switches
CN101534056B (zh) 一种输出可调的变结构直流开关电源
Lin et al. Analysis, design, and implementation of a soft-switching converter with two three-level PWM circuits
Jin et al. Light load efficiency improvement of three phase CLLC resonant converter for on-board charger applications
Hu et al. Secondary side cascaded winding-coupled bidirectional converter with wide ZVS range and high conversion gain
Lin et al. ZVS DC/DC converter based on two three-level PWM circuits sharing the same power switches
Wu et al. Design optimization for asymmetrical ZVS-PWM zeta converter
Alsolami et al. A non‐isolated high voltage gain DC–DC converter based hybrid switched LC network for renewable energy applications
Kokkonda et al. A high gain soft-switching active-clamped coupled-inductor-based converter for grid-tied photovoltaic applications
CN113541486A (zh) 交错二极管电容网络高增益zvt直流变换器及辅助电路
CN108667304A (zh) 同步整流反激式直流-直流电源转换装置及控制方法
US20060176034A1 (en) Multi-resonant dc-dc converter
KR102623743B1 (ko) Dc-dc 컨버터

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant