KR102642467B1 - 인덕터 정류기가 결합된 새로운 위상 편이 풀 브리지 컨버터 - Google Patents

인덕터 정류기가 결합된 새로운 위상 편이 풀 브리지 컨버터 Download PDF

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Abstract

인덕터 정류기가 결합된 새로운 위상 편이 풀 브리지 컨버터 및 그 동작 방법 및 시스템이 제시된다. 본 발명에서 제안하는 인덕터 정류기가 결합된 새로운 위상 편이 풀 브리지 컨버터는 1차측 회로 및 2차측 회로를 포함하고, 상기 1차측 회로는, 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2)가 직렬로 연결되고, 제3 스위치(Q3)와 제4 스위치(Q4)가 직렬로 연결되며, 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2) 간의 연결 단과 제3 스위치(Q3)와 제4 스위치(Q4) 간의 연결 단에 1차측 변압기가 연결되고, 상기 2차측 회로는, 제1 스위치(SR1)와 제2 스위치(SR2)가 직렬로 연결되고, 제1 스위치(SR1)와 제2 스위치(SR2) 간의 연결 단에 2차측 제1 변압기(T21)와 제2 변압기(T22)가 병렬로 연결되며, 2차측 제1 변압기(T21)의 또 다른 일단은 제1 다이오드(DB1)과 연결되고, 제1 다이오드(DB1)의 또 다른 일단은 제1 인덕터(Lo1)와 연결되고, 2차측 제2 변압기(T22)의 또 다른 일단은 제2 다이오드(DB2)과 연결되고, 제2 다이오드(DB2)의 또 다른 일단은 제2 인덕터(Lo2)와 연결된다.

Description

인덕터 정류기가 결합된 새로운 위상 편이 풀 브리지 컨버터{New Phase-Shift Full-Bridge Converter with Coupled Inductor Rectifier}
본 발명은 인덕터 정류기가 결합된 새로운 위상 편이 풀 브리지 컨버터 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
현재 전 세계적으로 많은 자동차 회사들이 전기자동차에 대한 연구에 적극 투자하고 있다. LDC(Low DC-DC Converter)는 높은 고전압 배터리를 공급원으로 하여 차량 내 전장 부하에 전원을 공급하기 때문에 전기 자동차의 주요 전력 변환 장치 중에서 핵심으로 꼽힌다. 전기 자동차의 주행 거리가 요구됨에 따라 LDC의 효율 향상 또한 요구되고 있다. 높은 효율을 갖는 LDC 의 토폴로지(Topology)로는 CIR(Coupled Inductor Rectifier) PSFB(Phase Shift Full Bridge) 낮은 전도 손실을 가진 변환기(Converter With Low Conduction Loss)가 있다. 기존 CIR PSFB 낮은 전도 손실을 가진 변환기는 프리휠링 모드(Freewheeling Mode)에서 1차측에 순환 전류(Circulating Current)를 감소시켜 낮은 전도 손실을 갖는다. 하지만 2차측에 다이오드 두 개의 전압 링잉(Ringing)이 크고 입력 전압 범위가 넓을수록 듀티비(Duty Ratio)의 변화(Variation)가 커지는 단점이 존재한다.
한국 등록특허공보 제10-1622139호 (2016.05.12)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 2차측에 스위치 두 개의 전압이 출력 전압으로 클래핑(Clamping)되며, 부스트 동작(Boost Operation)을 통해 전압 게인(Voltage Gain)을 증가시켜 높은 효율을 갖는 인덕터 정류기가 결합된 새로운 위상 편이 풀 브리지 컨버터 및 그 동작 방법을 제공하는데 있다.
일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 인덕터 정류기가 결합된 새로운 위상 편이 풀 브리지 컨버터는 1차측 회로 및 2차측 회로를 포함하고, 상기 1차측 회로는, 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2)가 직렬로 연결되고, 제3 스위치(Q3)와 제4 스위치(Q4)가 직렬로 연결되며, 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2) 간의 연결 단과 제3 스위치(Q3)와 제4 스위치(Q4) 간의 연결 단에 1차측 변압기가 연결되고, 상기 2차측 회로는, 제1 스위치(SR1)와 제2 스위치(SR2)가 직렬로 연결되고, 제1 스위치(SR1)와 제2 스위치(SR2) 간의 연결 단에 2차측 제1 변압기(T21)와 제2 변압기(T22)가 병렬로 연결되며, 2차측 제1 변압기(T21)의 또 다른 일단은 제1 다이오드(DB1)과 연결되고, 제1 다이오드(DB1)의 또 다른 일단은 제1 인덕터(Lo1)와 연결되고, 2차측 제2 변압기(T22)의 또 다른 일단은 제2 다이오드(DB2)과 연결되고, 제2 다이오드(DB2)의 또 다른 일단은 제2 인덕터(Lo2)와 연결된다.
본 발명의 실시예에 따른 정상 동작 단계(Normal Operation)에서, 1차측 제1 스위치(Q1) 및 제4 스위치(Q4)가 동시에 온 될 때, 2차측 제1 스위치(SR1)가 온 되어 파워 모드(Powering Mode)로 동작하고, 1차측 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3)가 동시에 온 될 때, 2차측 제2 스위치(SR2)가 온 되어 파워 모드(Powering Mode)로 동작한다.
본 발명의 실시예에 따른 부스트 동작 단계(Boost Operation)에서, 정상 동작 단계에서의 2차측 제1 스위치(SR1) 및 제2 스위치(SR2)의 PWM(Pulse Width Modulation)이 위상 지연되어 1차측 제1 스위치(Q1) 및 제4 스위치(Q4)가 온 되며, 2차측 제2 스위치(SR2)가 온 될 때 빌드-업 모드(Build-up Mode)로 동작하고, 1차측 제1 스위치(Q1) 및 제4 스위치(Q4)가 온 되며, 2차측 제1 스위치(SR1)가 온 될 때 파워 모드로 동작하고, 1차측 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3)가 온 되며, 2차측 제1 스위치(SR1)가 온 될 때 빌드-업 모드(Build-up Mode)로 동작하고, 1차측 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3)가 온 되며, 2차측 제2 스위치(SR2)가 온 될 때 파워 모드로 동작한다.
본 발명의 실시예에 따른 빌드-업 모드에서 제1 인덕터(Lo1) 및 제2 인덕터(Lo2)의 전류를 빌드-업하고, 파워 모드에서 빌드-업된 전류를 출력단으로 파워링(Powering)함으로써 부스트 동작을 수행한다.
본 발명의 실시예에 따른 제1 스위치(SR1) 및 제2 스위치(SR2)의 전압 스트레스가 출력 전압으로 클램핑(Clamping)되며, 부스트 동작(Boost Operation)을 통해 전압 게인(Voltage Gain)을 증가시킨다.
일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 인덕터 정류기가 결합된 새로운 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 동작 방법은 1차측 제1 스위치(Q1) 및 제4 스위치(Q4)가 동시에 온 될 때, 2차측 제1 스위치(SR1)가 온 되어 파워 모드(Powering Mode)로 동작하고, 1차측 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3)가 동시에 온 될 때, 2차측 제2 스위치(SR2)가 온 되어 파워 모드(Powering Mode)로 동작하는 정상 동작 단계(Normal Operation) 및 정상 동작 단계에서의 2차측 제1 스위치(SR1) 및 제2 스위치(SR2)의 PWM(Pulse Width Modulation)이 위상 지연되어 1차측 제1 스위치(Q1) 및 제4 스위치(Q4)가 온 되며, 2차측 제2 스위치(SR2)가 온 될 때 빌드-업 모드(Build-up Mode)로 동작하고, 1차측 제1 스위치(Q1) 및 제4 스위치(Q4)가 온 되며, 2차측 제1 스위치(SR1)가 온 될 때 파워 모드로 동작하고, 1차측 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3)가 온 되며, 2차측 제1 스위치(SR1)가 온 될 때 빌드-업 모드(Build-up Mode)로 동작하고, 1차측 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3)가 온 되며, 2차측 제2 스위치(SR2)가 온 될 때 파워 모드로 동작하는 부스트 동작 단계(Boost Operation)를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따른 인덕터 정류기가 결합된 새로운 위상 편이 풀 브리지 컨버터 및 그 동작 방법을 통해 2차측에 스위치 두 개의 전압이 출력 전압으로 클래핑(Clamping)되며, 부스트 동작(Boost Operation)을 통해 전압 게인(Voltage Gain)을 증가시켜 높은 효율을 가질 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 CIR PSFB 낮은 전도 손실을 가진 변환기 회로도이다.
도 2는 종래기술에 따른 입력 전압이 350 V일 때 CIR PSFB의 주요 파형을 나타내는 도면이다.
도 3은 종래기술에 따른 입력 전압이 650 V일 때 CIR PSFB의 주요 파형을 나타내는 도면이다.
도 4는 종래기술에 따른 입력 전압이 800 V일 때 CIR PSFB의 주요 파형을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터 정류기가 결합된 새로운 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터 정류기가 결합된 새로운 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 게이트 신호를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 입력 전압이 350 V일 때 주요 파형을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 입력 전압이 650 V일 때 주요 파형을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 입력 전압이 800 V일 때 주요 파형을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 종래기술에 따른 CIR PSFB 낮은 전도 손실을 가진 변환기 회로도이다.
도 1에 도시된 CIR(Coupled Inductor Rectifier) PSFB(Phase Shift Full Bridge) 낮은 전도 손실을 가진 변환기(Converter With Low Conduction Loss)의 1차측은 Q1, Q2, Q3, Q4 스위치 네 개로 이루어져 있으며, 2차측은 D1, D2, DF1 다이오드 세 개로 이루어진 구조에 Lo1, Lo2 인덕터로 이루어진 커플링 인덕터(Coupled Inductor)가 결합되어 있다. 종래기술에 따른 PSFB 컨버터의 1차측과 동일한 스위치 제어가 가능한데, Q1 과 Q2 의 PWM은 상호보완적(Complementary) 동작으로 Q1 이 온(On) 되어있을 때는 Q2 가 오프(Off) 되며, Q1 이 오프 되어있을 때는 Q2 가 온 된다. Q3 과 Q4 의 PWM 도 마찬가지로 Q3 이 온 되어있을 때는 Q4 가 오프 되며, Q3 이 오프 되어있을 때는 Q4 가 온 된다.
도 2는 종래기술에 따른 입력 전압이 350 V일 때 CIR PSFB의 주요 파형을 나타내는 도면이다.
종래기술에 따른 CIR PSFB 낮은 전도 손실을 가진 변환기는 350 V ~ 800 V 의 입력 전압 범위를 가지며 노미널(Nominal) 입력 전압은 650 V 이다.
도 2는 종래기술에 따른 CIR PSFB 낮은 전도 손실을 가진 변환기의 예시로서 Vs=350 V, Fs=70 kHz, Vo=14 V, Llkg=10 μH, Lm=600 μH, Lo1=Lo2=100 μH, Co=100 μF, 턴 비(Turns ratio) = 21 : 1 일 때 주요 파형이다. PWM_Q1, PWM_Q2, PWM_Q3, PWM_Q4 는 각각 1차측 스위치 Q1, Q2, Q3, Q4 의 게이트 파형이다. I(pri)는 변압기(Transformer)의 누설 인덕터(Leakage Inductor)에 흐르는 전류이다. 이때 RMS 크기는 1.7 A 이다. I(D1), I(D2), I(DF1) 은 각각 2차측 다이오드 D1, D2, DF1 에 흐르는 전류이다. VD1, VD2 는 각각 2차측 다이오드 D1, D2 의 전압 파형이다. 이때 다이오드 D1, D2 의 전압 스트레스는 32.3 V 이다. VDF1 은 2차측 다이오드 DF1 의 전압 파형이다. 이때 다이오드 DF1 의 전압 스트레스는 17.5 V 이다.
도 3은 종래기술에 따른 입력 전압이 650 V일 때 CIR PSFB의 주요 파형을 나타내는 도면이다.
종래기술에 따른 CIR PSFB 낮은 전도 손실을 가진 변환기는 350 V ~ 800 V 의 입력 전압 범위를 가지며 노미널 입력 전압은 650 V 이다. 도 3은 종래기술에 따른 CIR PSFB 낮은 전도 손실을 가진 변환기의 예시로서 Vs=650 V, Fs=70 kHz, Vo=14 V, Llkg=10 μH, Lm=600 μH, Lo1=Lo2=100 μH, Co=100 μF, 턴 비(Turns ratio) = 21 : 1 일 때 주요 파형이다. PWM_Q1, PWM_Q2, PWM_Q3, PWM_Q4 는 각각 1차측 스위치 Q1, Q2, Q3, Q4 의 게이트 파형이다. I(pri)는 변압기의 누설 인덕터에 흐르는 전류이다. 이때 RMS 크기는 1.6 A 이다. I(D1), I(D2), I(DF1) 은 각각 2차측 다이오드 D1, D2, DF1 에 흐르는 전류이다. VD1, VD2 는 각각 2차측 다이오드 D1, D2 의 전압 파형이다. 이때 다이오드 D1, D2 의 전압 스트레스는 59.8 V 이다. VDF1 은 2차측 다이오드 DF1 의 전압 파형이다. 이때 다이오드 DF1 의 전압 스트레스는 45.7 V 이다.
도 4는 종래기술에 따른 입력 전압이 800 V일 때 CIR PSFB의 주요 파형을 나타내는 도면이다.
종래기술에 따른 CIR PSFB 낮은 전도 손실을 가진 변환기는 350 V ~ 800 V 의 입력 전압 범위를 가지며 노미널 입력 전압은 650 V 이다. 도 4는 종래기술에 따른 CIR PSFB 낮은 전도 손실을 가진 변환기의 예시로서 Vs=800 V, Fs=70 kHz, Vo=14 V, Llkg=10 μH, Lm=600 μH, Lo1=Lo2=100 μH, Co=100 μF, 턴 비(Turns ratio) = 21 : 1 일 때 주요 파형이다. PWM_Q1, PWM_Q2, PWM_Q3, PWM_Q4 는 각각 1차측 스위치 Q1, Q2, Q3, Q4 의 게이트 파형이다. I(pri)는 변압기의 누설 인덕터에 흐르는 전류이다. 이때 RMS 크기는 1.5 A 이다. I(D1), I(D2), I(DF1) 은 각각 2차측 다이오드 D1, D2, DF1 에 흐르는 전류이다. VD1, VD2 는 각각 2차측 다이오드 D1, D2 의 전압 파형이다. 이때 다이오드 D1, D2 의 전압 스트레스는 73.6 V 이다. VDF1 은 2차측 다이오드 DF1 의 전압 파형이다. 이때 다이오드 DF1 의 전압 스트레스는 59.6 V 이다.
위 파형의 예시로부터 기존 회로의 경우 최대 입력 전압에서 1차측 전류의 최대 RMS 는 1.7 A 이고 2차측 다이오드 D1, D2 의 최대 전압 스트레스는 73.6 V 이고 2차측 다이오드 DF1 의 최대 전압 스트레스는 59.6 V 임을 알 수 있다.
이에 대해 본 발명의 실시예에 따른 인덕터 정류기가 결합된 새로운 위상 편이 풀 브리지 컨버터에서는 2차측에 기존 다이오드 D1, D2 를 스위치 SR1, SR2 로 변경하고 다이오드 DF1 은 없애고 두 개의 다이오드 DB1, DB2 를 추가함으로써 스위치 SR1, SR2 의 전압 스트레스가 출력 전압으로 클램핑(Clamping)되어 스너버(Snubber)를 사용하지 않아도 된다. 또한 부스트 동작(Boost Operation)을 통해 전압 게인(Voltage Gain)을 증가시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터 정류기가 결합된 새로운 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 회로도이다.
본 발명은 2차측에 기존 다이오드 D1, D2 를 제1 스위치(SR1) 및 제2 스위치(SR2)로 변경하고 기존 다이오드 DF1 은 없애고, 제1 다이오드(DB1) 및 제2 다이오드(DB2)를 추가함으로써 제1 스위치(SR1) 및 제2 스위치(SR2)의 전압 스트레스가 출력 전압으로 클램핑(Clamping)되며, 부스트 동작(Boost Operation)을 통해 전압 게인(Voltage Gain)을 높여 효율을 향상시키는 회로이다.
본 발명의 실시예에 따른 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 1차측 회로는 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2)가 직렬로 연결되고, 제3 스위치(Q3)와 제4 스위치(Q4)가 직렬로 연결되며, 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2) 간의 연결 단과 제3 스위치(Q3)와 제4 스위치(Q4) 간의 연결 단에 1차측 변압기가 연결된다.
본 발명의 실시예에 따른 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 2차측 회로는 제1 스위치(SR1)와 제2 스위치(SR2)가 직렬로 연결되고, 제1 스위치(SR1)와 제2 스위치(SR2) 간의 연결 단에 2차측 제1 변압기(T21)와 제2 변압기(T22)가 병렬로 연결되며, 2차측 제1 변압기(T21)의 또 다른 일단은 제1 다이오드(DB1)과 연결되고, 제1 다이오드(DB1)의 또 다른 일단은 제1 인덕터(Lo1)와 연결되고, 2차측 제2 변압기(T22)의 또 다른 일단은 제2 다이오드(DB2)과 연결되고, 제2 다이오드(DB2)의 또 다른 일단은 제2 인덕터(Lo2)와 연결된다.
도 5를 참조하면, 1차측은 Q1, Q2, Q3, Q4 스위치 네 개로 이루어져 있으며, 2차측은 SR1, SR2 스위치 두 개와 DB1, DB2 다이오드 두 개로 이루어진 구조에 Lo1, Lo2 인덕터로 이루어진 커플링 인덕터(Coupled Inductor)가 결합되어 있다. 기존 PSFB 컨버터 1차측과 동일한 스위치 제어가 가능하고, Q1 과 Q2 의 PWM 은 상호 보완적(Complementary) 동작으로 Q1 이 온(On) 되어있을 때는 Q2 가 오프(Off) 되며, Q1 이 오프 되어있을 때는 Q2 가 온 된다. Q3 과 Q4 의 PWM 도 마찬가지로 Q3 이 온 되어있을 때는 Q4 가 오프 되며, Q3 이 오프 되어있을 때는 Q4 가 온 된다.
본 발명의 실시예에 따른 정상 동작 단계(Normal Operation)에서 1차측 제1 스위치(Q1) 및 제4 스위치(Q4)가 동시에 온 될 때, 2차측 제1 스위치(SR1)가 온 되어 파워 모드(Powering Mode)로 동작하고, 1차측 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3)가 동시에 온 될 때, 2차측 제2 스위치(SR2)가 온 되어 파워 모드(Powering Mode)로 동작한다.
본 발명의 실시예에 따른 부스트 동작 단계(Boost Operation)에서 정상 동작 단계에서의 2차측 제1 스위치(SR1) 및 제2 스위치(SR2)의 PWM(Pulse Width Modulation)이 위상 지연되어 1차측 제1 스위치(Q1) 및 제4 스위치(Q4)가 온 되며, 2차측 제2 스위치(SR2)가 온 될 때 빌드-업 모드(Build-up Mode)로 동작하고, 1차측 제1 스위치(Q1) 및 제4 스위치(Q4)가 온 되며, 2차측 제1 스위치(SR1)가 온 될 때 파워 모드로 동작하고, 1차측 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3)가 온 되며, 2차측 제1 스위치(SR1)가 온 될 때 빌드-업 모드(Build-up Mode)로 동작하고, 1차측 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3)가 온 되며, 2차측 제2 스위치(SR2)가 온 될 때 파워 모드로 동작한다.
본 발명의 실시예에 따른 빌드-업 모드에서 제1 인덕터(Lo1) 및 제2 인덕터(Lo2)의 전류를 빌드-업하고, 파워 모드에서 빌드-업된 전류를 출력단으로 파워링(Powering)함으로써 부스트 동작을 수행한다.
본 발명의 실시예에 따른 제1 스위치(SR1) 및 제2 스위치(SR2)의 전압 스트레스가 출력 전압으로 클램핑(Clamping)되며, 부스트 동작(Boost Operation)을 통해 전압 게인(Voltage Gain)을 증가시킨다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터 정류기가 결합된 새로운 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
제안하는 덕터 정류기가 결합된 새로운 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 동작 방법은 1차측 제1 스위치(Q1) 및 제4 스위치(Q4)가 동시에 온 될 때, 2차측 제1 스위치(SR1)가 온 되어 파워 모드(Powering Mode)로 동작하고, 1차측 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3)가 동시에 온 될 때, 2차측 제2 스위치(SR2)가 온 되어 파워 모드(Powering Mode)로 동작하는 정상 동작 단계(Normal Operation)(610) 및 정상 동작 단계에서의 2차측 제1 스위치(SR1) 및 제2 스위치(SR2)의 PWM(Pulse Width Modulation)이 위상 지연되어 1차측 제1 스위치(Q1) 및 제4 스위치(Q4)가 온 되며, 2차측 제2 스위치(SR2)가 온 될 때 빌드-업 모드(Build-up Mode)로 동작하고, 1차측 제1 스위치(Q1) 및 제4 스위치(Q4)가 온 되며, 2차측 제1 스위치(SR1)가 온 될 때 파워 모드로 동작하고, 1차측 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3)가 온 되며, 2차측 제1 스위치(SR1)가 온 될 때 빌드-업 모드(Build-up Mode)로 동작하고, 1차측 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3)가 온 되며, 2차측 제2 스위치(SR2)가 온 될 때 파워 모드로 동작하는 부스트 동작 단계(Boost Operation)(620)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 부스트 동작 단계(Boost Operation)에서 빌드-업 모드에서 제1 인덕터(Lo1) 및 제2 인덕터(Lo2)의 전류를 빌드-업하고, 파워 모드에서 빌드-업된 전류를 출력단으로 파워링(Powering)함으로써 부스트 동작을 수행한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 스위치(SR1) 및 제2 스위치(SR2)의 전압 스트레스가 출력 전압으로 클램핑(Clamping)되며, 부스트 동작(Boost Operation)을 통해 전압 게인(Voltage Gain)을 증가시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 게이트 신호를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 정상 동작(Normal Operation)과 부스트 동작(Boost Operation)에서의 게이트 신호를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정상 동작 에서 SR1 은 Q1, Q4 가 동시에 온 될 때 온 되어 파워 모드로 동작한다. SR2 도 마찬가지로 Q2, Q3 이 동시에 온 될 때 온 되어 파워 모드로 동작한다. 반면에 부스트 동작에서는 정상 동작에서의 SR1, SR2 의 PWM 이 위상 지연이 된다. 그래서 Q1, Q4 이 온 되며, SR2 가 온 될 때 빌드-업 모드로 동작하고 Q1, Q4 이 온 되며, SR1 이 온 될 때 파워 모드로 동작한다. 마찬가지로 Q2, Q3 이 온 되며, SR1 이 온 될 때 빌드-업 모드로 동작하고 Q2, Q3 이 온 되며, SR2 가 온 될 때 파워 모드로 동작한다. 빌드-업 모드에서 커플링 인덕터의 전류를 빌드-업하고, 파워 모드에서 빌드-업된 전류를 출력단으로 파워링함으로써 부스트 동작이 가능하다. 따라서 제안하는 회로는 기존 회로의 최대 듀티비(Maximum Duty Ratio) 인 0.5 에서 부스트 동작을 함으로써 전압 게인을 증가시킬 수 있다. 이때 제안 회로의 전압 게인은 1/(n (1 - 2DB)) 로 기존 회로의 전압 게인인 D/n 보다 크기 때문에 전압 게인이 증가한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 입력 전압이 350 V일 때 주요 파형을 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위상 편이 풀 브리지 컨버터는 350 V ~ 800 V 의 입력 전압 범위를 가지며 노미널 입력 전압은 650 V 이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 예시로서 Vs=350 V, Fs=70 kHz, Vo=14 V, Llkg=10 μH, Lm=600 μH, Lo1=Lo2=100 μH, Co=100 μF, 턴 비(Turns ratio) = 25 : 1 일 때 주요 파형이다. PWM_Q1, PWM_Q2, PWM_Q3, PWM_Q4 는 각각 1차측 스위치 Q1, Q2, Q3, Q4 의 게이트 파형이고 PWM_SR1, PWM_SR2 는 각각 2차측 스위치 SR1, SR2 의 게이트 파형이다. 이때 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 편이 풀 브리지 컨버터는 부스트 동작을 한다. I(pri)는 변압기의 누설 인덕터에 흐르는 전류이다. 이때 RMS 크기는 1.5 A 이다. I(SR1), I(SR2) 는 2차측 스위치 SR1, SR2 에 흐르는 전류이고 I(DB1), I(DB2) 는 2차측 다이오드 DB1, DB2 에 흐르는 전류이다. VSR1, VSR2 는 각각 2차측 스위치 SR1, SR2 의 전압 파형이다. 이때 전압 스트레스는 14.0 V 이다. VDB1, VDB2 는 각각 2차측 다이오드 DB1, DB2 의 전압 파형이다. 이때 전압 스트레스는 42.0 V 이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 입력 전압이 650 V일 때 주요 파형을 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위상 편이 풀 브리지 컨버터는 350 V ~ 800 V 의 입력 전압 범위를 가지며 노미널 입력 전압은 650 V 이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 예시로서 Vs=650 V, Fs=70 kHz, Vo=14 V, Llkg=10 μH, Lm=600 μH, Lo1=Lo2=100 μH, Co=100 μF, Turns ratio = 25 : 1 일 때 주요 파형이다. PWM_Q1, PWM_Q2, PWM_Q3, PWM_Q4 는 각각 1차측 스위치 Q1, Q2, Q3, Q4 의 게이트 파형이고 PWM_SR1, PWM_SR2 는 각각 2차측 스위치 SR1, SR2 의 게이트 파형이다. 이때 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 편이 풀 브리지 컨버터는 정상 동작을 한다. I(pri)는 변압기의 누설 인덕터에 흐르는 전류이다. 이때 RMS 크기는 1.6 A 이다. I(SR1), I(SR2) 는 2차측 스위치 SR1, SR2 에 흐르는 전류이고 I(DB1), I(DB2) 는 2차측 다이오드 DB1, DB2 에 흐르는 전류이다. VSR1, VSR2 는 각각 2차측 스위치 SR1, SR2 의 전압 파형이다. 이때 전압 스트레스는 14.0 V 이다. VDB1, VDB2 는 각각 2차측 다이오드 DB1, DB2 의 전압 파형이다. 이때 전압 스트레스는 36.3 V 이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 입력 전압이 800 V일 때 주요 파형을 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위상 편이 풀 브리지 컨버터는 350 V ~ 800 V 의 입력 전압 범위를 가지며 노미널 입력 전압은 650 V 이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 예시로서 Vs=800 V, Fs=70 kHz, Vo=14 V, Llkg=10 μH, Lm=600 μH, Lo1=Lo2=100 μH, Co=100 μF, Turns ratio = 25 : 1 일 때 주요 파형이다. PWM_Q1, PWM_Q2, PWM_Q3, PWM_Q4 는 각각 1차측 스위치 Q1, Q2, Q3, Q4 의 게이트 파형이고 PWM_SR1, PWM_SR2 는 각각 2차측 스위치 SR1, SR2 의 게이트 파형이다. 이때 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 편이 풀 브리지 컨버터는 정상 동작을 한다. I(pri)는 변압기의 누설 인덕터에 흐르는 전류이다. 이때 RMS 크기는 1.6 A 이다. I(SR1), I(SR2) 는 2차측 스위치 SR1, SR2 에 흐르는 전류이고 I(DB1), I(DB2) 는 2차측 다이오드 DB1, DB2 에 흐르는 전류이다. VSR1, VSR2 는 각각 2차측 스위치 SR1, SR2 의 전압 파형이다. 이때 전압 스트레스는 14.0 V 이다. VDB1, VDB2 는 각각 2차측 다이오드 DB1, DB2 의 전압 파형이다. 이때 전압 스트레스는 47.7 V 이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 파형의 예시들을 통해 제안 회로는 부스트 동작을 통해 기존 회로보다 전압 게인을 증가시킬 수 있다. 또한 스위치 SR1, SR2 의 전압 스트레스가 출력 전압으로 클램핑되어 스너버(Snubber) 를 사용하지 않아도 되기 때문에 효율을 향상시킬 수 있다. 표 1은 입력전압 범위 450 ~ 800 V 에서 기존 회로의 1차측 RMS 전류 및 다이오드 D1, D2, DF1 의 최대 전압 스트레스와 제안 회로의 1차측 RMS 전류 및 스위치 SR1, SR2 및 다이오드 DB1, DB2 의 최대 전압 스트레스를 정리한 표이다.
<표 1>
표 1과 같이 제안 회로는 스위치 SR1, SR2 의 전압 스트레스가 출력 전압을 클램핑되며, 다이오드 DB1, DB2 는 기존 회로보다 낮은 전압 정격의 소자를 사용할 수 있다.
제안하는 회로는 2차측에 SR1, SR2 스위치 두 개와 DB1, DB2 다이오드 두 개로 이루어진 구조를 통해 부스트 동작을 하여 전압 게인을 증가시킬 수 있으며, 스위치 SR1, SR2 의 전압 스트레스가 출력 전압으로 클램핑되어 Snubber 를 사용하지 않아도 된다. 따라서 본 발명은 높은 입력 전압을 노미널(nominal)로 가지는 LDC (Low DC/DC Converter) 응용에 적합한 회로가 될 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.　 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.　 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다.　 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다.　 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.　 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다.　 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.　 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.　 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.　 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.　 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.　
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (8)

  1. 위상 편이 풀 브리지 컨버터에 있어서,
    1차측 회로 및 2차측 회로를 포함하고,
    상기 1차측 회로는,
    제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2)가 직렬로 연결되고, 제3 스위치(Q3)와 제4 스위치(Q4)가 직렬로 연결되며, 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2) 간의 연결 단과 제3 스위치(Q3)와 제4 스위치(Q4) 간의 연결 단에 1차측 변압기가 연결되고,
    상기 2차측 회로는,
    제1 스위치(SR1)와 제2 스위치(SR2)가 직렬로 연결되고, 제1 스위치(SR1)와 제2 스위치(SR2) 간의 연결 단에 2차측 제1 변압기(T21)와 제2 변압기(T22)가 병렬로 연결되며, 2차측 제1 변압기(T21)의 또 다른 일단은 제1 다이오드(DB1)과 연결되고, 제1 다이오드(DB1)의 또 다른 일단은 제1 인덕터(Lo1)와 연결되고, 2차측 제2 변압기(T22)의 또 다른 일단은 제2 다이오드(DB2)과 연결되고, 제2 다이오드(DB2)의 또 다른 일단은 제2 인덕터(Lo2)와 연결되는
    위상 편이 풀 브리지 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    정상 동작 단계(Normal Operation)에서,
    1차측 제1 스위치(Q1) 및 제4 스위치(Q4)가 동시에 온 될 때, 2차측 제1 스위치(SR1)가 온 되어 파워 모드(Powering Mode)로 동작하고, 1차측 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3)가 동시에 온 될 때, 2차측 제2 스위치(SR2)가 온 되어 파워 모드(Powering Mode)로 동작하는
    위상 편이 풀 브리지 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    부스트 동작 단계(Boost Operation)에서,
    정상 동작 단계에서의 2차측 제1 스위치(SR1) 및 제2 스위치(SR2)의 PWM(Pulse Width Modulation)이 위상 지연되어 1차측 제1 스위치(Q1) 및 제4 스위치(Q4)가 온 되며, 2차측 제2 스위치(SR2)가 온 될 때 빌드-업 모드(Build-up Mode)로 동작하고, 1차측 제1 스위치(Q1) 및 제4 스위치(Q4)가 온 되며, 2차측 제1 스위치(SR1)가 온 될 때 파워 모드로 동작하고,
    1차측 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3)가 온 되며, 2차측 제1 스위치(SR1)가 온 될 때 빌드-업 모드(Build-up Mode)로 동작하고, 1차측 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3)가 온 되며, 2차측 제2 스위치(SR2)가 온 될 때 파워 모드로 동작하는
    위상 편이 풀 브리지 컨버터.
  4. 제3항에 있어서,
    빌드-업 모드에서 제1 인덕터(Lo1) 및 제2 인덕터(Lo2)의 전류를 빌드-업하고,
    파워 모드에서 빌드-업된 전류를 출력단으로 파워링(Powering)함으로써 부스트 동작을 수행하는
    위상 편이 풀 브리지 컨버터.
  5. 제4항에 있어서,
    제1 스위치(SR1) 및 제2 스위치(SR2)의 전압 스트레스가 출력 전압으로 클램핑(Clamping)되며, 부스트 동작(Boost Operation)을 통해 전압 게인(Voltage Gain)을 증가시키는
    위상 편이 풀 브리지 컨버터.
  6. 1차측 제1 스위치(Q1) 및 제4 스위치(Q4)가 동시에 온 될 때, 2차측 제1 스위치(SR1)가 온 되어 파워 모드(Powering Mode)로 동작하고, 1차측 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3)가 동시에 온 될 때, 2차측 제2 스위치(SR2)가 온 되어 파워 모드(Powering Mode)로 동작하는 정상 동작 단계(Normal Operation); 및
    정상 동작 단계에서의 2차측 제1 스위치(SR1) 및 제2 스위치(SR2)의 PWM(Pulse Width Modulation)이 위상 지연되어 1차측 제1 스위치(Q1) 및 제4 스위치(Q4)가 온 되며, 2차측 제2 스위치(SR2)가 온 될 때 빌드-업 모드(Build-up Mode)로 동작하고, 1차측 제1 스위치(Q1) 및 제4 스위치(Q4)가 온 되며, 2차측 제1 스위치(SR1)가 온 될 때 파워 모드로 동작하고, 1차측 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3)가 온 되며, 2차측 제1 스위치(SR1)가 온 될 때 빌드-업 모드(Build-up Mode)로 동작하고, 1차측 제2 스위치(Q2) 및 제3 스위치(Q3)가 온 되며, 2차측 제2 스위치(SR2)가 온 될 때 파워 모드로 동작하는 부스트 동작 단계(Boost Operation)
    를 포함하는 위상 편이 풀 브리지 컨버터의 동작 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    부스트 동작 단계(Boost Operation)에서,
    빌드-업 모드에서 제1 인덕터(Lo1) 및 제2 인덕터(Lo2)의 전류를 빌드-업하고,
    파워 모드에서 빌드-업된 전류를 출력단으로 파워링(Powering)함으로써 부스트 동작을 수행하는
    위상 편이 풀 브리지 컨버터의 동작 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    제1 스위치(SR1) 및 제2 스위치(SR2)의 전압 스트레스가 출력 전압으로 클램핑(Clamping)되며, 부스트 동작(Boost Operation)을 통해 전압 게인(Voltage Gain)을 증가시키는
    위상 편이 풀 브리지 컨버터의 동작 방법.
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