KR102665484B1 - 스너버 회로, 컨버터 회로, 컨버터 시스템 및 이들을 이용하는 누설 에너지 활용 방법 - Google Patents

스너버 회로, 컨버터 회로, 컨버터 시스템 및 이들을 이용하는 누설 에너지 활용 방법 Download PDF

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Abstract

스너버 회로, 컨버터 회로, 컨버터 시스템 및 누설 에너지 활용 방법이 개시된다. 스너버 회로는, 변압기 입력측의 1차 권선에 병렬로 연결된 스너버 커패시터(snubber capacitor); 및 스너버 커패시터와 직렬로 연결된 스너버 인덕터(snubber inductor)를 포함하고, 누설 에너지 활용방법은 스너버 회로 동작에 기반한다. 따라서, 누설 인덕턴스로 인한 누설 에너지가 저항에서 열로 소비되지 않고 부하에 전달되어 활용될 수 있다.

Description

스너버 회로, 컨버터 회로, 컨버터 시스템 및 이들을 이용하는 누설 에너지 활용 방법{SNUBBER CIRCUIT, CONVERTER CIRCUIT, CONVERTER SYSTEM AND METHOD FOR UTILIZING LEAKAGE ENERGY USING THE SAMES}
본 발명은 스너버 회로, 컨버터 회로, 컨버터 시스템 및 이들을 이용하는 누설 에너지 활용 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력 스위치의 스위칭에 따른 전압 스트레스를 감소하기 위한 스너버 회로, 컨버터 회로, 컨버터 시스템들과 상기 회로들 및 시스템을 이용하는 누설 에너지 활용 방법에 관한 것이다.
스너버 회로(snubber circuit)란 전력 스위치의 스위칭 동작 시, 인덕터 전류 등의 외부 에너지에 의한 전압 스트레스를 감소시키기 위해 전력 스위치에 부가적으로 연결되는 회로이다.
스너버 회로가 사용되는 대표적인 예로 플라이백 컨버터를 들 수 있다. 스위치의 턴오프(turned-off) 시, 컨버터 누설 인덕턴스에 저장된 에너지는 전력 스위치의 드레인에 과도한 전압 스트레스를 발생시킨다. 이로 인해, 전력 스위치의 소손을 일으킬 수 있으므로, 전력 스위치의 드레인 단자에 인가되는 최대 전압을 제한할 필요가 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 스너버 회로를 나타내는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 회로 하단의 양단 전압이 V ds 로 표시되는 스위치가 턴오프(turned-off)되는 경우 누설 인덕턴스(L lk )의 에너지가 스너버 커패시터(C sn )로 전달되어 저장되고, 스너버 커패시터에 저장된 에너지는 스너버 커패시터와 병렬 연결된 스너버 저항( R sn )에서 열로 소비된다. 즉 종래의 기술에 따르면 누설 인덕턴스의 에너지는 저항에서 열로 소비된다. 따라서 기존의 기술에 따르면 스위치, 예를 들어 모스 펫(MOSFET)의 드레인 및 소스 사이의 전압은 감소하지만, 누설 인덕턴스의 에너지 및 스위칭에 의한 에너지가 활용되지 않아서 변압기의 효율이 감소하는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 전력 스위치의 스위칭에 따른 전압 스트레스를 감소하기 위한 스너버 회로와 상기 회로를 이용하는 누설 에너지 활용 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스너버 회로는 다중 권선 변압기의 1차 권선에 병렬로 연결된 스너버 커패시터; 상기 스너버 커패시터와 직렬로 연결된 스너버 인덕터; 및 상기 스너버 커패시터 및 상기 스너버 인덕터에 연결되어 폐회로를 형성하는 상기 다중 권선 변압기의 2차 권선을 포함하며, 상기 스너버 커패시터는 상기 다중 권선 변압기의 누설 인덕턴스로 인한 에너지를 저장한다.
여기서, 상기 에너지를 상기 스너버 커패시터로 유도하는 스너버 다이오드를 더 포함 할 수 있다.
여기서, 상기 에너지는 상기 스너버 커패시터와 상기 스너버 인덕터의 공진(resonance)을 통해 상기 스너버 커패시터와 상기 스너버 인덕터 사이에 서로 번갈아 가며 전달 될 수 있다.
여기서, 상기 스너버 커패시터와 상기 스너버 인덕터의 직렬 연결을 제어하는 스너버 스위치를 더 포함 할 수 있다.
여기서, 상기 에너지는 상기 스너버 인덕터와 직렬 연결 된 상기 2차 권선을 통해 부하측에 전달 될 수 있다.
여기서, 상기 커패시터는 상기 에너지가 상기 부하측에 전달된 후에도 상기 스너버 인덕터 및 상기 다중 권선 변압기에 저장된 잔류 에너지에 의해 재충전 될 수 있다.
여기서, 상기 스너버 스위치가 턴온되면서 상기 스너버 커패시터에 저장된 에너지가 방전되고, 상기 방전이 끝나면 상기 커패시터는 극성이 변환되어 잔류 에너지가 재 충전 될 수 있다.
여기서, 상기 스너버 스위치가 턴오프되면서 상기 스너버 스위치의 기생 다이오드를 통해 상기 커패시터에 저장된 잔류 에너지가 재 방전 될 수 있다.
여기서, 상기 재 방전되는 전류 에너지는 상기 2차 권선을 통해 전원으로 회생 될 수 있다.
여기서, 상기 스너버 커패시터가 방전 및 재충전되는 때에 흐르는 전류 방향이 서로 동일하고, 상기 재 방전 되는 때에는 전류의 방향이 반대로 바뀔 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 컨버터 회로는 스위칭으로 인한 전압 스트레스를 완화하기 위한 스너버 회로; 전원과 직렬 연결되는 다중 권선 변압기의 1차 권선; 부하와 직렬 연결되는 다중 권선 변압기의 3차 권선; 전력 변환을 위한 스위칭 동작을 수행하기 위해 상기 1차 권선과 직렬로 연결된 컨버터 스위치; 상기 부하와 병렬 연결되는 출력 커패시터; 및 상기 부하와 직렬 연결되는 출력 다이오드를 포함하고, 상기 스너버 회로는 상기 다중 권선 변압기의 누설 인덕턴스로 인한 에너지를 상기 부하에 전달하거나 상기 전원으로 회생 할 수 있다.
여기서 스너버 회로는 다중 권선 변압기의 1차 권선에 병렬로 연결된 스너버 커패시터, 상기 스너버 커패시터와 직렬로 연결된 스너버 인덕터 및 상기 스너버 커패시터 및 상기 스너버 인덕터에 연결되어 폐회로를 형성하는 상기 다중 권선 변압기의 2차 권선을 포함하며, 상기 스너버 커패시터는 상기 다중 권선 변압기의 누설 인덕턴스로 인한 에너지를 저장 할 수 있다.
여기서 상기 전원과 병렬로 연결되며, 상기 전원으로부터 전달받은 에너지를 저장하는 입력 커패시터를 더 포함 할 수 있다.
여기서 상기 부하와 직렬로 연결되며, 상기 부하에 발생하는 노이즈를 제거하는 출력 인덕터를 더 포함 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 컨버터 시스템은 전원; 상기 전원에 입력측이 연결되는 컨버터 회로; 및 상기 컨버터의 출력측에 연결된 부하;를 포함하고 상기 컨버터 회로는 다중 권선 변압기의 누설 인덕턴스로 인한 에너지를 상기 부하에 전달하거나 상기 전원으로 회생 할 수 있다.
여기서, 상기 컨버터 회로는 스위칭으로 인한 전압 스트레스를 완화하기 위한 스너버 회로; 전원과 직렬 연결되는 다중 권선 변압기의 1차 권선; 부하와 직렬 연결되는 다중 권선 변압기의 3차 권선; 전력 변환을 위한 스위칭 동작을 수행하기 위해 상기 1차 권선과 직렬로 연결된 컨버터 스위치; 상기 부하와 병렬 연결되는 출력 커패시터; 및 상기 부하와 직렬 연결되는 출력 다이오드를 포함 할 수 있다.
여기서, 상기 스너버 회로는 다중 권선 변압기의 1차 권선에 병렬로 연결된 스너버 커패시터, 상기 스너버 커패시터와 직렬로 연결된 스너버 인덕터 및 상기 스너버 커패시터 및 상기 스너버 인덕터에 연결되어 폐회로를 형성하는 상기 다중 권선 변압기의 2차 권선을 포함하며, 상기 스너버 커패시터는 상기 다중 권선 변압기의 누설 인덕턴스로 인한 에너지를 저장 할 수 있다.
여기서, 상기 컨버터 회로는 상기 전원과 병렬로 연결되며, 상기 전원으로부터 전달받은 에너지를 저장하는 입력 커패시터, 상기 부하와 직렬로 연결되며, 상기 부하에 발생하는 노이즈를 제거하는 출력 인덕터를 더 포함 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 누설 에너지 활용 방법은 다중 권선 변압기(transformer)의 1차 권선에 발생하는 기생 인덕턴스(leakage inductance)에 저장된 에너지 및 상기 다중 권선 변압기의 에너지 변환을 위한 스위칭에 의해 발생하는 에너지가 스너버 커패시터(snubber capacitor)에 충전되는 단계; 상기 에너지들의 일부 에너지는 상기 다중 권선 변압기의 3차 권선에 연결된 부하(load)에 공급되고, 나머지 에너지는 상기 스너버 커패시터와 직렬로 연결된 스너버 인덕터(snubber inductor) 및 상기 다중 권선 변압기의 2차 권선에 전달되는 단계; 상기 스너버 인덕터 및 상기 다중 권선 변압기의 2차 권선에 전달된 에너지가 상기 스너버 커패시터에 재충전되는 단계; 및 상기 재충전된 에너지의 일부는 상기 전원 측으로 회생되고, 일부는 스너버 커패시터에 저장되는 단계를 포함 할 수 있다.
여기서, 상기 부하에 공급될 에너지가 존재하는 한, 상기 충전되는 단계 내지 상기 다시 저장되는 단계는 계속 반복 될 수 있다.
여기서, 상기 누설 에너지 활용 방법은, 상기 다중 권선 변압기의 2차 권선, 상기 스너버 커패시터, 상기 스너버 인덕터, 스너버 다이오드(transformer switch) 및 스너버 스위치(snubber switch)를 포함하는 스너버 회로(snubber circuit)에 의해 수행될 수 있다.
본 발명에 의하면, 누설 인덕턴스로 인한 누설 에너지 및 스위칭에 의한 에너지가 저항에서 열로 소비되지 않고 부하에 전달되어 활용될 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 스너버 회로를 나타내는 회로도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 컨버터 시스템, 컨버터 회로, 스너버 회로, 다중 권선 변압기 각각을 개략적으로 나타내는 블록도들이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 스너버 회로를 포함하는 컨버터 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스너버 회로를 포함하는 컨버터 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 5a 내지 도 5g는 시계열적으로 전류의 흐름이 표시된 도 3을 나타낸다.
도 6은 스너버 회로가 동작하는 모드 1 내지 7에 따른 전류 및 전압을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 스너버 회로를 이용하는 누설 에너지 활용방법에 관한 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 참고적으로 여기서 사용된 에너지는 전력 또는 전기 에너지를 의미한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 컨버터 시스템(converter system), 컨버터 회로(converter circuit), 스너버 회로(snubber circuit), 다중 권선 변압기(multiple winding transformer) 각각을 개략적으로 나타내는 블록도들이다.
도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 본 발명의 컨버터 시스템은 전원(electric source)(100), 컨버터 회로(200) 및 부하(load)(300)를 포함한다.
컨버터 회로(200)는 스너버 회로(210), 1차 권선(221), 3차 권선(223), 컨버터 스위치(230), 출력 다이오드(output diode)(240) 및 출력 커패시터(output capacitor)(250)를 포함하고, 추가적으로 입력 커패시터(260) 및 출력 인덕터(270)을 더 포함 할 수 있다.
스너버 회로(210)는 스너버 커패시터(snubber capacitor)(211), 스너버 인덕터(snubber inductor)(212) 및 2차 권선(222)을 포함하고, 추가적으로 스너버 다이오드(snubber diode)(213) 및 스너버 스위치(snubber switch)(214)를 더 포함할 수 있다.
다중 권선 변압기(220)는 자기 에너지(energy of magnetic field)를 이용하여 교류 또는 직류를 교류 또는 직류로 변환하는 변압기(transformer)이다. 다중 권선 변압기(220)는 입력측 및 출력측으로 구성될 수 있다. 다중 권선 변압기(220)의 입력측은 전원(100)에 연결된다. 다중 권선 변압기(220)의 출력측은 부하(300)에 연결된다. 즉 다중 권선 변압기(220)는 전원(100)의 전압 및/또는 전류의 크기, 주파수 등을 변환하여 부하(300)에 전달한다.
또한, 다중 권선 변압기는(220) 1차 권선(221), 2차 권선(222) 및 3차 권선(223)을 포함할 수 있다. 여기서, 1차 권선(221)은 전원(100) 및 입력 커패시터(260)에 연결되고, 2차 권선은 스너버 회로(210)에 포함되고, 3차 권선(223)은 출력 다이오드(240) 및 출력 인덕터(270)가 연결된 부하단에 연결될 수 있다.
이하 회로 구성을 통해서 본 발명의 하나의 실시예에 따른 스너버 회로(210)를 포함하는 컨버터 시스템에 대해서 자세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 스너버 회로(210)를 포함하는 컨버터 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 3을 참조하면, 컨버터 시스템은 전원(V in )(100), 컨버터 회로(200) 및 부하(300)를 포함한다.
또한, 컨버터 회로(converter circuit)(200)는 스너버 회로(snubber circuit)(210), 1차 권선(221), 3차 권선(223), 컨버터 스위치(converter switch)(Q g )(230), 출력 다이오드(output diode)(240) 및 출력 커패시터(output capacitor)(250)를 포함하고, 입력 커패시터(input capacitor)(260) 및 출력 인덕터(output inductor)(270)를 더 포함할 수 있다.
또한, 스너버 회로(210)는 스너버 커패시터(snubber capacitor)(C sn )(211), 스너버 인덕터(snubber inductor)(L sn )(212) 및 2차 권선(222)을 포함하고, 추가적으로 스너버 다이오드(snubber diode)(D sn )(213) 및 스너버 스위치(snubber switch)(Q sn )(214)를 더 포함할 수 있다.
다중 권선 변압기(220)는 요구되는 출력의 종류에 따라 3권선 이상을 포함할 수 있다. 다중 권선 변압기(220)의 권선들은 적어도 입력측의 1차 권선(221), 스너버측의 2차 권선(222) 및 출력측의 3차 권선(223)을 포함할 수 있다. 1차 권선(221)은 전원(100)에 연결될 수 있다. 2차 권선(222)은 스너버 커패시터(211), 스너버 인덕터(212) 및 스너버 스위치(214)와 직렬로 연결될 수 있다. 그리고 3차 권선(223)은 부하(300)가 포함되어 있는 부하단에 연결될 수 있다. 즉, 2차 권선(222)은 스너버 커패시터(211) 및 스너버 인덕터(212)에 연결되어 폐회로를 형성할 수 있다.
또한, 다중 권선 변압기(220)의 입력측이 전원(100)과 연결되고, 출력측 중의 하나가 부하(300)에 연결됨으로써, 다중 권선 변압기(220)는 입력과 출력간의 절연을 가능하게 한다.
다시 도 3을 참조하면, 도 3에 다중 권선 변압기(220)의 1차 권선(221)과 직렬로 연결된 누설 인덕터(L leak )(leakage inductor)가 표시되어 있다. 누설 인덕터에 따로 식별 번호가 할당되지 않은 것은, 누설 인덕터가 변압기의 1차 권선에 기생하고, 따라서 1차 권선에 포함되어 있는 것으로 볼 수 있기 때문이다.
누설 인덕터는 다중 권선 변압기(220)의 누설 자속(leakage magnetic flux)에 의해 발생하는 누설 인덕턴스(leakage inductance)가 심볼화된 것이다. 누설 인덕턴스로 인한 누설 에너지는 스너버 다이오드(213)를 통해 스너버 커패시터(211)에 저장될 수 있다.
컨버터 스위치(230)는 부하(300)에 전력을 전달하기 위해 필요한 스위칭을 수행한다. 즉 컨버터 스위치(230)가 턴온되는 시간 동안 다중 권선 변압기(220)는 에너지를 저장했다가, 컨버터 스위치(230)가 턴오프 되면서 저장된 에너지를 변환하여 부하에 전달한다. 컨버터 스위치(230)는 그 내부에 기생 다이오드 및 기생 커패시터를 포함할 수 있다. 기생 커패시터의 커패시턴스의 크기는 스너버 커패시터(211)의 커패시턴스의 크기에 비해 매우 작을 수 있다.
스너버 커패시터(211)는 컨버터 스위치(230)의 스위칭 시에 발생하는 과전압 또는 과전류로 인한 스트레스를 완화한다. 즉 스너버 커패시터(211)는 컨버터 스위치(Q g )(230)의 스위칭으로 인해 발생하는 과전압 및 과전류 중에서 적어도 하나를 에너지 형태로 저장할 수 있다. 도 3을 참조하면, 컨버터 스위치(Q g )(230)의 스위칭으로 인해 발생하는 과전압, 과전류에 의한 에너지는 스너버 다이오드(D sn )(213)가 도통됨으로써 스너버 커패시터(211)에 전달되고, 스너버 커패시터(211)에 저장될 수 있다.
또한 스너버 커패시터(211)는 다중 권선 변압기(220)의 누설 인덕턴스(leakage inductance)로 인한 에너지를 저장할 수 있다. 여기서 누설 인덕턴스로 인한 에너지는 스너버 다이오드(D sn )(213)를 통해 전하 형태로 스너버 커패시터(211)에 저장될 수 있다. 즉 스너버 다이오드(213)는 누설 인덕턴스로 인한 에너지를 스너버 커패시터(211)로 유도할 수 있다.
스너버 인덕터(212)는 스너버 스위치(214)를 매개로 하여 스너버 커패시터(211)와 직렬로 연결될 수 있다. 즉 스너버 스위치(214)가 턴온되는 경우 전류는 스너버 커패시터(211)에서 스너버 인덕터(212)로 흐를 수 있다. 또한 스너버 스위치(214)가 턴오프되는 경우, 전류는 기생 다이오드를 통해 스너버 인덕터(212)에서 스너버 커패시터(211)로 흐를 수 있다. 스너버 인덕터(212)는 스너버 커패시터(211)에 저장된 에너지를 전달받아 저장할 수 있다. 또한 스너버 인덕터(212)는 저장된 에너지 중에서 일부를 다시 스너버 커패시터(211)에 전달할 수 있다. 즉 전력 에너지는 스너버 커패시터(211)와 스너버 인덕터(212)의 공진(resonance)를 통해 서로 번갈아 가면서 전달될 수 있다.
스너버 스위치(214)는 모스 펫(metal oxide silicon field effect transistor, MOSFET) 소자를 이용하여 구현될 수 있다. 스너버 스위치(214)가 턴온되는 경우 전류는 스너버 커패시터(211)에서 스너버 인덕터(212)로 흐르고, 턴오프되는 경우 전류는 기생 다이오드를 통해 스너버 인덕터(212)에서 스너버 커패시터(211)로 흐를 수 있다. 또한 스너버 스위치(214)는 기생 커패시터를 포함할 수 있다.
컨버터 회로(converter circuit)(200)는 앞서 설명한 스너버 회로(snubber circuit)(210), 다중권선 변압기(220)의 1차 권선(221) 및 3차 권선(223), 컨버터 스위치(converter switch)(Q g )(230), 출력 다이오드(output diode)(240) 및 출력 커패시터(output capacitor)(250)를 포함하고, 입력 커패시터(input capacitor)(260) 및 출력 인덕터(output inductor)(270)을 더 포함할 수 있다.
입력 커패시터(260)은 전원(100)에 병렬로 연결될 수 있으며, 전원(100)으로부터 전달받은 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 다중 권선 변압기(220)에 전달 할 수 있다.
출력 커패시터(250)는 부하(300)에 병렬로 연결될 수 있으며, 다중 권선 변압기(220)로부터 전달받은 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 부하(300)에 전달 할 수 있다.
출력 다이오드(250) 및 출력 인덕터(270)는 다중 권선 변압기(220)의 출력측에 부하(300)와 직렬로 연결될 수 있으며, 출력 다이오드(250)는 출력측 전류인 Isec의 방향을 제어할 수 있다. 또한, 출력 인덕터(270)는 필터로 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스너버 회로(210)를 포함하는 컨버터 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 스너버 회로(210)는 다중 권선 변압기(220)의 1차 권선(221)에 병렬로 연결된 자화 인덕턴스(L M )를 더 포함할 수 있다. 다른 구성요소는 도 3의 스너버 회로(210)와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 5a 내지 도 5g는 전류의 흐름이 시계열적으로 표시된 도 3을 나타낸다.
이하 도 5a 내지 도 5g를 참조하면서, 스너버 회로(210)의 불연속전도모드(discontinuous conduction mode, DCM)에서의 시계열적인 동작에 대해 설명하기로 한다.
도 5a는 모드 1을 나타낸다.
도 5a에 표시된 바와 같이, I in 은 다중 권선 변압기(220)의 1차측 전류를 나타내고, I sn 은 스너버 커패시터(C sn )(211) 양단에 흐르는 전류를 나타내고, V ds 는 컨버터 스위치(230)(Q g ) 양단의 전압을 나타내고, 마지막으로 I sec 는 다중 권선 변압기(220)의 3차 권선(223)에 흐르는 출력 전류를 각각 나타낸다.
모드 1에서 컨버터 스위치(230)가 턴온되고, 전원(100)의 에너지가 다중 권선 변압기(220)의 1차 권선(221)에 전달된다. I in 은 시계 방향(positive)으로 흐르고, I sn =0, V ds =0, I sec =0 임을 알 수 있다. 이전 모드(모드 7)에서 출력 커패시터(250)에 저장되었던 에너지는, 부하(300)에 전달될 수 있다.
도 5b는 모드 2를 나타낸다.
모드 2에서 컨버터 스위치(230)가 턴오프되고, 이에 따라 다중 권선 컨버터 스위치(230) 양단의 전압(V ds )이 증가한다. I in =0이고, I sn 는 일정 시간 동안 흐르고, I sec 는 짧은 구간에서 증가한 후 서서히 감소한다. 다중 권선 변압기(220) 1차 권선(221)의 에너지는 3차 권선(223)을 통해 출력 커패시터(250)로 전달된다. 1차 권선(221)의 누설 인덕턴스로 인한 누설 에너지는 스너버 커패시터(211)에 저장된다. 따라서 컨버터 스위치(230)의 드레인 및 소스 간의 스파이크 전압(spike voltage)이 감소한다. 또한 컨버터 스위치(230)의 기생 커패시터의 커패시턴스보다 스너버 커패시터(211)의 커패시턴스의 값이 더 크기 때문에 컨버터 스위치(230)의 드레인 및 소스 간의 전압이 일부 구간에서 상승할 수 있다.
도 5c는 모드 3을 나타낸다.
모드 3에서 1차 권선(221)의 누설 인덕턴스로 인한 에너지가 스너버 커패시터(211)로 모두 전달되면, 1차 권선에 연결된 입력측의 회로에는 전류가 흐르지 않는다. 즉, I in =0이고, I sn =0이다. V ds 는 일부 구간에서 감소 후 소폭 증가할 수 있다. 다중 권선 변압기(220)에 저장된 에너지가 출력측에 모두 전달되면 출력 전류도 흐르지 않는다. 즉, I sec =0이다. 출력 커패시터(250)에 저장된 에너지가 부하(300)에 전달될 수 있다.
도 5d는 모드 4를 나타낸다.
모드 4에서 스너버 커패시터(211)는 충전된 에너지를 방전한다. 즉 스너버 커패시터(211)는 전압원으로 동작한다. I in =0이고, I sn 의 방향은 스너버 커패시터(211)의 위에서 아래를 향하고(negative), 스너버 커패시터(211)의 위의 극성은 음(negative)이고, 아래 극성은 양(positive)이다. V ds 는 감소하고, I sec 는 일정 구간에서 흐른다. 스너버 스위치(214)가 턴온됨으로써 스너버 커패시터(211)에 저장된 에너지가 2차 권선(222)을 통해 3차 권선(223)에 전달된다. 이 경우 1차 권선(221)을 통해 스너버 커패시터(211)로 다시 돌아오는 에너지가 있을 수 있는데, 다중 권선 변압기(220)의 권선비(N:1:1)를 감안하면 그 크기가 매우 작기 때문에 다시 돌아오는 에너지에 따른 전류는 고려되지 않을 수 있다. 3차 권선(223)의 에너지는 출력 커패시터(250) 및 부하(300)에 전달될 수 있다.
도 5e는 모드 5를 나타낸다.
모드 5에서 스너버 커패시터(211)는 잔류 에너지를 재충전한다. 즉 스너버 인덕터(212) 및 다중 권선 변압기(220)에 저장된 에너지로 인해 전류가 계속 흐르고, 스너버 커패시터(211)는 재충전된다. 여기서 스너버 커패시터(211)는 전압원이 아닌 임피던스 소자로 동작한다. 또한 스너버 커패시터(211)의 극성은 모드 2에서 충전 되었을 때와 비교하여 반대로 바뀐다. 즉 스너버 커패시터(211)의 위의 극성은 양(positive)이고, 아래 극성은 음(negative)이다. I in =0이고, I sn 의 방향은 스너버 커패시터(211)의 위에서 아래를 향하고(negative), V ds 는 감소하고, I sec =0이다.
도 5f는 모드 6을 나타낸다.
모드 6에서 스너버 커패시터(211)는 재충전한 에너지를 재방전한다. 방전된 에너지는 2차 권선(222)을 통해 1차 권선(221)에 충전된다. 즉, 스너버 커패시터(211)에 재충전된 에너지는 재방전됨으로써, 2차 권선(222)에 전달된다. 2차 권선(222)에 전달된 에너지는 최종적으로 1차 권선(211)에 전달됨으로써, 에너지는 회생된다.
여기서 스너버 커패시터(211)는 전압원으로 동작한다. I in 이 흐르고(negative), I sn 의 방향은 스너버 커패시터(211)의 아래에서 위를 향하고(positive), V ds 는 초반에 급격히 감소하여 0가 되고, 또한 I sec =0이다.
모드 5에서 모드 6로 전환되면서 스너버 스위치(214)는 턴오프된다. 스너버 스위치(214)가 턴오프되어도 스너버 스위치(214)의 기생 다이오드를 통해 전류 I sn 이 흐른다. 이전에 출력 커패시터(250)에 충전되었던 에너지는, 부하(300)에 전달될 수 있다.
도 5g는 모드 7을 나타낸다.
모드 7에서 출력 커패시터(250)에 저장된 에너지는 부하(300)에 전달된다. I in =0이고, I sn 의 방향은 스너버 커패시터(211)의 아래에서 위를 향하고(positive), 스너버 커패시터(211)의 위의 극성은 양에서 음으로, 아래 극성은 음에서 양으로 바뀐다. V ds =0이고, 또한 I sec =0이다.
다중 권선 변압기(220)의 1차 권선(221)의 자화 인덕터와 스너버 인덕터(212)로 인해 스너버 커패시터(211)가 다시 한번 역방향으로 충전될 수 있다. 이 경우 스너버 스위치(214)가 턴오프되어 있지만 스너버 스위치(214)의 기생 다이오드로 인해 실질적으로 충전이 일어난다. 또한 최초에 저장된 스너버 커패시터(211)의 에너지가 출력측 및 입력측으로 전달되었기 때문에, 스너버 커패시터(211)의 전압은 최초에 비해 매우 작다. 이후 모드 1이 다시 반복된다.
도 6은 스너버 회로(210)가 동작하는 모드 1 내지 7에 따른 전류 및 전압을 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면 모드 1 내지 7 동안, 스너버 커패시터(211)는 스너버 인덕터(212)와 공진을 통해 충전, 방전, 재충전 및 재방전을 거듭하면서 누설 인덕터의 에너지를 최종적으로 부하에 전달할 수 있도록 메커니즘을 구현하고 있다.
이상으로 모드 1 내지 모드 7을 통하여 본 발명의 실시예에 따른 스너버 회로(210)의 시계열적 동작에 대해 자세히 설명하였다.
이하 본 발명의 다른 실시예에 따른 누설 에너지 활용방법에 대해 간단하게 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스너버 회로(210)를 이용하는 누설 에너지 활용방법에 관한 흐름도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 활용방법은, 다중 권선 변압기(transformer)(220)의 1차 권선(221)에 발생하는 기생 인덕턴스(leakage inductance)에 저장된 에너지가 스너버 커패시터(snubber capacitor)(211)에 충전되는 단계(S110);
상기 에너지의 일부는 다중 권선 변압기(220)에 연결된 부하(load)에 공급되고, 나머지는 상기 스너버 커패시터(211)와 직렬로 연결된 스너버 인덕터(snubber inductor)(212)에 전달되는 단계(S120);
상기 스너버 인덕터(212) 및 2차 권선(222)에 전달된 에너지가 상기 스너버 커패시터(211)에 재충전되는 단계(S130); 및
상기 재충전된 에너지의 일부는 상기 전원 측으로 회생되고, 일부는 스너버 커패시터에 저장되는 단계(S140)를 포함한다.
여기서, 부하에 공급되는 에너지가 존재하는 한, S110 내지 S140은 이론적으로 반복될 수 있다. 스너버 커패시터(211)에 초기 충전된 에너지의 대부분이 상기 S110 내지 S140를 통해 부하에 전달되기 때문에 최종 전압은 초기 충전된 전압에 비해 작다. 이 후 컨버터 스위치(230)의 턴온에 의해 새로운 모드 1이 시작된다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 전원, 200: 컨버터 회로,
210: 스너버 회로, 211: 스너버 커패시터,
212: 스너버 인덕터, 213: 스너버 다이오드,
214: 스너버 스위치, 220: 다중 권선 변압기,
221: 1차 권선, 222: 2차 권선,
223: 3차 권선, 230: 컨버터 스위치,
240: 출력 다이오드, 250: 출력 커패시터,
260: 입력 커패시터, 270: 출력 인덕터,
300: 부하

Claims (21)

  1. 다중 권선 변압기의 1차 권선에 병렬로 연결된 스너버 커패시터;
    상기 스너버 커패시터와 직렬로 연결된 스너버 인덕터;
    상기 스너버 커패시터 및 상기 스너버 인덕터에 연결되어 폐회로를 형성하는 상기 다중 권선 변압기의 2차 권선; 및
    상기 스너버 커패시터와 상기 스너버 인덕터의 직렬 연결을 제어하는 스너버 스위치를 포함하며,
    상기 스너버 커패시터는 상기 다중 권선 변압기의 누설 인덕턴스로 인한 에너지를 저장하고,
    상기 스너버 스위치가 턴온되면서 상기 스너버 커패시터에 저장된 에너지가 방전되고, 상기 방전이 끝나면 상기 스너버 커패시터는 극성이 변환되어 잔류 에너지가 재 충전되는 스너버 회로.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 에너지를 상기 스너버 커패시터로 유도하는 스너버 다이오드를 더 포함하는 스너버 회로.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 에너지는 상기 스너버 커패시터와 상기 스너버 인덕터의 공진(resonance)을 통해 상기 스너버 커패시터와 상기 스너버 인덕터 사이에 서로 번갈아 가며 전달되는 스너버 회로.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 에너지는 상기 스너버 인덕터와 직렬 연결 된 상기 2차 권선을 통해 부하측에 전달되는 스너버 회로.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 스너버 커패시터는 상기 에너지가 상기 부하측에 전달된 후에도 상기 스너버 인덕터 및 상기 다중 권선 변압기에 저장된 잔류 에너지에 의해 재충전되는 스너버 회로.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 스너버 스위치가 턴오프되면서 상기 스너버 스위치의 기생 다이오드를 통해 상기 커패시터에 저장된 잔류 에너지가 재 방전되는 스너버 회로.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 재 방전되는 잔류 에너지는 상기 2차 권선을 통해 전원으로 회생되고,
    상기 스너버 커패시터가 방전 및 재 충전되는 때에 흐르는 전류 방향이 서로 동일하고,
    상기 재 방전 되는 때에는 전류의 방향이 반대로 바뀌는 스너버 회로.
  9. 스위칭으로 인한 전압 스트레스를 완화하기 위한 스너버 회로;
    전원과 직렬 연결되는 다중 권선 변압기의 1차권선;
    부하와 직렬 연결되는 다중 권선 변압기의 3차권선;
    전력 변환을 위한 스위칭 동작을 수행하기 위해 상기 1차권선과 직렬로 연결된 컨버터 스위치;
    상기 부하와 병렬 연결되는 출력 커패시터; 및
    상기 부하와 직렬 연결되는 출력 다이오드를 포함하고,
    상기 스너버 회로는
    상기 다중 권선 변압기의 누설 인덕턴스로 인한 에너지를 상기 부하에 전달하거나 상기 전원으로 회생하고,
    상기 스너버 회로는
    다중 권선 변압기의 1차 권선에 병렬로 연결된 스너버 커패시터,
    상기 스너버 커패시터와 직렬로 연결된 스너버 인덕터,
    상기 스너버 커패시터 및 상기 스너버 인덕터에 연결되어 폐회로를 형성하는 상기 다중 권선 변압기의 2차 권선, 및
    상기 스너버 커패시터와 상기 스너버 인덕터의 직렬 연결을 제어하는 스너버 스위치를 포함하며,
    상기 스너버 커패시터는 상기 다중 권선 변압기의 누설 인덕턴스로 인한 에너지를 저장하고,
    상기 스너버 스위치가 턴온되면서 상기 스너버 커패시터에 저장된 에너지가 방전되고, 상기 방전이 끝나면 상기 스너버 커패시터는 극성이 변환되어 잔류 에너지가 재 충전되는 컨버터 회로.
  10. 삭제
  11. 전원;
    상기 전원에 입력측이 연결되는 컨버터 회로; 및
    상기 컨버터의 출력측에 연결된 부하;를 포함하고
    상기 컨버터 회로는
    다중 권선 변압기의 누설 인덕턴스로 인한 에너지를 상기 부하에 전달하거나 상기 전원으로 회생하고,
    상기 컨버터 회로는 스위칭으로 인한 전압 스트레스를 완화하기 위한 스너버 회로;
    전원과 직렬 연결되는 다중 권선 변압기의 1차권선;
    부하와 직렬 연결되는 다중 권선 변압기의 3차권선;
    전력 변환을 위한 스위칭 동작을 수행하기 위해 상기 1차권선과 직렬로 연결된 컨버터 스위치;
    상기 부하와 병렬 연결되는 출력 커패시터; 및
    상기 부하와 직렬 연결되는 출력 다이오드를 포함하고,
    상기 스너버 회로는
    다중 권선 변압기의 1차 권선에 병렬로 연결된 스너버 커패시터,
    상기 스너버 커패시터와 직렬로 연결된 스너버 인덕터,
    상기 스너버 커패시터 및 상기 스너버 인덕터에 연결되어 폐회로를 형성하는 상기 다중 권선 변압기의 2차 권선, 및
    상기 스너버 커패시터와 상기 스너버 인덕터의 직렬 연결을 제어하는 스너버 스위치를 포함하며,
    상기 스너버 커패시터는 상기 다중 권선 변압기의 누설 인덕턴스로 인한 에너지를 저장하고,
    상기 스너버 스위치가 턴온되면서 상기 스너버 커패시터에 저장된 에너지가 방전되고, 상기 방전이 끝나면 상기 스너버 커패시터는 극성이 변환되어 잔류 에너지가 재 충전되는 컨버터 시스템.
  12. 삭제
  13. 다중 권선 변압기(transformer)의 1차 권선에 발생하는 누설 인덕턴스(leakage inductance)에 저장된 에너지 및 상기 다중 권선 변압기의 에너지 변환을 위한 스위칭에 의해 발생하는 에너지가 스너버 커패시터(snubber capacitor)에 충전되는 단계;
    스너버 스위치가 턴온되면서 상기 스너버 커패시터에 저장된 에너지가 방전되어 상기 에너지들의 일부 에너지는 상기 다중 권선 변압기의 3차 권선에 연결된 부하(load)에 공급되고, 나머지 에너지는 상기 스너버 커패시터와 직렬로 연결된 스너버 인덕터(snubber inductor) 및 상기 다중 권선 변압기의 2차 권선에 전달되는 단계;
    상기 스너버 커패시터에 저장된 에너지의 방전이 끝나면 상기 스너버 커패시터는 극성이 변환되어 상기 스너버 인덕터 및 상기 다중 권선 변압기의 2차 권선에 전달된 에너지가 상기 스너버 커패시터에 재충전되는 단계; 및
    상기 재충전된 에너지의 일부는 전원 측으로 회생되고, 일부는 상기 스너버 커패시터에 저장되는 단계를 포함하고,
    상기 스너버 스위치는 상기 스너버 커패시터와 상기 스너버 인덕터의 직렬 연결을 제어하는 누설 에너지 활용 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 부하에 공급될 에너지가 존재하는 한,
    상기 충전되는 단계 내지 상기 저장되는 단계는 계속 반복되는 누설 에너지 활용 방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 누설 에너지 활용 방법은,
    상기 다중 권선 변압기의 2차 권선, 상기 스너버 커패시터, 상기 스너버 인덕터, 스너버 다이오드(transformer switch) 및 스너버 스위치(snubber switch)를 포함하는 스너버 회로(snubber circuit)에 의해 수행되는 누설 에너지 활용 방법.
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Robert Watson et al., Utilization of an active-clamp circuit to achieve soft switching in flyback converters, IEEE Transactions on Power Electronics,vo.11,is.1(1996.01.31.)*

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