KR19980019214A

KR19980019214A - 이중 포워드 DC-DC 변환기(A double forward converter with soft-PWM switching)

Info

Publication number: KR19980019214A
Application number: KR1019970045782A
Authority: KR
Inventors: 동 탄 에프
Original assignee: 윌리엄 이, 갈라스; 티 알 더블류 인코포레이드
Priority date: 1996-08-29
Filing date: 1997-08-28
Publication date: 1998-06-05
Also published as: DE69726664T2; EP0827263A3; KR100281158B1; DE69726664D1; CN1063883C; TW352485B; EP0827263B1; CN1176522A; EP0827263A2; JPH10108458A; US5973939A

Abstract

소프트-PWM 스위칭을 구비한 이중 포워드 DC-DC 변환기는 2개의 전압 펄스를 한 스위칭 사이클 내에서 출력 저역 통과 필터에 제공한다(그러므로, 이중 포워드로 명명됨). 이중 포워드 DC-DC 변환기는 단일의 1차 권선 및 2개의 2차 권선을 갖는변압기(transformer)를 포함한다. 주 스위치는 PWM 제어 회로에 의해 제어되는 것으로 1차 권선에 직릴로 접속된다. 보조 스위치는 공진 캐패시터를 거쳐 주 스위치 양단에 결합된다. 공진 캐패시터 및 보조 스위치는 주 스위치가 온인 때 변압기의 1차 권선에 접속된 전압원으로 변압기 코어를 자동으로 리셋시키는 데 사용된다. 다이오드 및 스노버 캐패시터는 주 스위치 및 보조 스위치의 드레인-소스 단자간에 접속되어 스위칭 손실을 최소화시킨다. 종래 기술에 사용된 전류 미러는 록업모드 동작을 회피하기 위해서 사용하지 않는다.

변압기의 2차 권선은 한 쌍의 포화가능 공진기에 접속되고, 이어서 정류기 다이오드의 역 회복 손실을 제어하도록 정류기 다이오드에 접속된다. 프리훨링 다이오드는 2차 권선 양단에 접속되어, 포화가능 공진기와 함께 동작하여 주 스위치 및 보조 스위치의 천이시 2차 권선에 부하 전류를 유지한다.

Description

이중 포워드 DC-DC 변환기

본 발명은 DC-DC 변환기 회로에 관한 것으로, 특히 주 스위치, 보조 스위치,정류기 다이오드, 및 주 스위치가 PWM회로의 제어하에 있을 때 변압기의 1차 권선으로부터의 에너지를 2차 권선에 전달하기 위한 변압기를 포함하는 소프트-PWM 스위칭을 구비한 이중 포워드 DC-DC 변환기 회로에 관한 것이다. DC-DC 변환기 회로는 주 스위치가 턴오프된 때 변압기 권선에 저장된 에너지를 록업 가능성없이 자동으로 리셋시키는 회로, 및 변압기의 2차 권선에 접속된 정류기 다이오드에 관련된 역 회복 손실을 제거하기 위해서 정류기 다이오드의 소프트 스위칭을 위한 회로를 포함한다. 턴오프 손실을 최소화하기 위해서 스노버 캐패시터가 제공됨과 아울러 주 스위치 및 보조 스위치가 제로 전압에서 턴온된다.

DC-DC 변환기는 여러 응용에 사용하기 위해서 일정하지 않은 비조정된 DC 전원을 정전압원으로 변환하는데 사용된다. 이러한 DC 변환기는 통상 1차 권선 및 2차권선을 갖는 변압기를 포함한다. 스위치, 예를 들면 고체상태 스위치는 1차권선으로부터 2차권선으로의 에너지 전달을 제어하도록 1차권선에 접속된다. PWM제어 방식 변환기에 있어서, 통상 스위치는 스위칭 기간에 대해 정확한 시점에 스위치로서 정의되는 것인 듀티 사이클을 변화시키는 펄스 폭 변조기(PWM)의 제어하에 있게 된다.

항공 및 군사 응용에 항상 필요한, 크기와 무게를 줄이도록 스위칭 주파수를 증가시킴에 따라 스위칭 손실이 급격히 증가한다. 이에 대처하기 위해서, DC-DC 전력 변환기 설계자는 고체상태 스위치로 스위칭하는 것에 관련한 손실을 제거 혹은 최소화하기 위해서 여러 가지 방식을 사용한다. 이들 방식을 일반적으로 다양한 소프트스위칭 기술이라 한다. 모든류의 소프트 스위칭 방식 중에서, 가장 주목되는 것들은 PWM(하드-스위치되는) 변환기에서의 것들과 유사한 전압 및 전류 스트레스를 유지하면서, 턴은 및 턴오프 천이시 제로-전류 혹은 제로-전압 스위칭을 갖는 방식들이다. 이것은 PWM(하드-스위치되는) 변환기의 것들과 유사한 스위치 전압 및 전류의 스트레스 레벨이 전력 전달에서 최상의 가능한 효율을 나타내기 때문에 그러하다. 이러한 일군의 소프트 스위칭을 소프트-PWM 스위칭이라고 부를 수 있다.

최근 개발에서 널리 보급된 소프트 스위칭을 하기 위한 위상-시프트 방식이 소프트-PWM파형을 거의 실현하게 되었다. 그러나, 이의 응용은 이를테면 하프-브릿지 및 풀-브릿지 변환기와 같은 더블-엔디드 변환기로 국한된다. 포워드 및 플라이백과 같은 단일-엔디드 변환기용 소프트 스위칭 방식에 대해 가장 최근에 개발된 바에 따르면 변압기를 자동으로 리셋시키도록 전류 미러로 알려진 메카니즘을 이용하고 있다. 이러한 회로의 예는 미국 특허 4,441,l46; 4,809,1438; 5,126,931에 개시되어 있다. 이러한 회로의 예는 또한,1992년 IEEE 간행 번호 O-7803-0485-3/92의 709-716페이지 에 J.A. Bassett에 의 한, Constant Frequency ZVS Converter with Integrated Magnetics;1993년 IEEE 간행 번호 0-7803-0982-3/93의 880-887페이지에 I.D. Jitaru에 의 한, High Frequency, Sdt Transit ion Converter; 1990년 1EEE 간행 번호 CH2873-8/90/0000-0181의 181-187페이지에 K.Harada 및 H.Sakamoto에 의한, Switched Snubber for High Frequency Switching; 및 HFPC 1990년 5월 프로시딩,235-245페이지의 B.Carsten에 의한, Design Techniques for Transformer Active Resets Circuits at High Frequencies and Power Levels에 개시되어 있다.

이러한 회로는 통상 제 2의 고체상태 스위치 및 제 1의 고체상태 스위치가 열여 있을 때 변압기 권선에 저장된 자화 전류인 재순환하는 에너지를 변압기의 1차 권선에 접속된 DC 전압원에 다시 전달하는 캐패스터를 포함한다. 이러한 회로는 주 스위치 및 보조 스위치가 제로 전압에서 턴온되게 하는 것으로 무손실 스노버, 및 스위치에 병릴로 접속된 통상의 캐패시터를 포함한다. 스노버는 스위치가 턴오프된 때 전압 스트레스 및 손실을 최소화하는데 사용된다. 더욱이, 이러한 회로는 스위치가 닫히기 전에 소노버 캐패시터를 방전시키도록 구성하여 턴온 손실을 제거하도록 하고 아울러 스위치가 턴온된 때 스위칭에 인가된 전압 스트레스를 최소화하도록 한다. 이러한 회로의 예는 미국 특허 4,959,764;5,126,931;5,231,563에 개시되어 있다.

인용된 특허에 사용되는 전류미러 기술은 회로가 부-고조파 주파수에 의해 록업되는 모드에서 동작되게 할 수 있음에 유념한다. 록업 모드 동작은 출력전압을 강제적으로 규정범위 밖으로 가게 하여 스위칭 소자에 손상을 가할 가능성을 갖고 있다. 변환기의 안정된 동작을 보장하기 위해서 보호 회로가 부가적으로 사용된다.

미국 특허 4,809,148;4,441,146;4,959,764에 개시된 바와 같이, DC-DC 변환기는 변압기의 2차권선에 접속된 하나 이상의 정류기 다이오드를 통상 포함한다. 통상 하나의 정류기 다이오드가 변압기의 2차권선에 병렬로 접속되는 한편 제 2의 정류기 다이오드는 부하에 직렬로 점속된다. 이떤 스위칭 변환기에 있어서, 정류기 다이오드들은 역 회복 손실로 알려진 손실이 있는데, 이 손실은 다이오드에 대한 바이어싱이 빠르게 역전될 때 나타나는 것이다. 정류기 다이오드의 역 회복 손실을 최소화하는 여러 가지 기술이 알려져 있는데, 예를 들면,1993년 IEEE 간행번호 0-7803-0892-0-/93의 880-887페이지에 I.D. Jitaru에 의한 High Frequency, Soft Transition Converter( 및 미국 특허 5,434,768)에 개시되어 있다· 그러나, 이 저자가 표명한 바대로, 이 기술은 다이오드의 역 회복 손실을 완전히 제거하지 않는다.

요컨대, 기존의 변환기 회로는 소프트 스위칭을 효과적으로 구현하지만 2가지 주요 결점, 즉 부품을 파손할 수 있는 위험한 록업 모드, 및 전력변환 효율을 대가로 하는 다이오드의 과도한 역 회복 손실인 2가지 주요 결점이 있다.

본 발명의 목적은 종래 기술에 관련된 상기 문제를 해결하는 DC-DC 변환기회로를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 정류기 다이오드의 역 회복 손실을 제거하는DC-DC 변환기 회로를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 변압기, 주 스위치, 및 주 스위치가 오프된 때 변압기 권선에 저장된 에너지를 변압기의 1차 권선에 접속된 전압원에 다시 자등으로 전달하는 회로를 포함하는 DC-DC 변환기 회로를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 주 스위치, 및 고체상태 스위치의 스위칭 손실을 최소화하기 위해 무손실 스노버를 갖는 보조 스위치를 포함하는 소프트-PWM스위칭을 갖춘 DC-DC 변환기 시스템을 제공하는 것이다.

요약하여, 본 발명은 소프트-PWM스위칭을 갖춘 신규한 DC-DC 변환기에 관한 것이다. 변환기는 2개의 펄스를 한 스위칭 사이클 내에서 출력 저역 통과 필터에 제공한다. 그러므로, 변환기의 한 스위칭 사이클 내에서 파워가 출력으로 두 번(이중 포워드) 전송된다. 이중 포워드 DC-DC 변환기는 단일 1차 권선 및 2개의 2차 권선을 갖는 변압기를 포함한다. P柵 제어 회로의 제어하에 주 스위치는 1차 권선에 직렬로 접속된다. 보조 스위치는 공진 캐패시터를 거쳐 주 스위치 양단에 결합된다. 공진 캐패시터 및 보조 스위치는 주 스위치가 오프된 동안, 변압기의 권선에 저장된 에너지를 변압기의 1차 권선에 접속된 전압원에 다시 자동으로 전달하는데 사용된다. 다이오드 및 스노버 캐패시터는 스위칭 손실을 최소화하기 위해 주 스위치 및 보조 스위치의 드레인-소스 단자 양단에 접속된다. 소위 전류 미러는 회로를 양호하게 설계함으로써 사용되지 않는다. 그러므로, 바람직하지 않은 록업 동작이 회피된다.

변압기의 2차 권선은 한쌍의 포화가능 공진기에 접속되고, 이어서 정류기 다이오드에 접속된다. 프리훨링 다이오드는 2차 권선 양단에 접속되고 포화가능 공진기와 함꼐 동작하여 주스위치 및 보조 스위치의 천이시 변환기의 2차에 부하 전류를 제한한다. 이 구성은 정류기 다이오드의 역 회복 손실을 제거하도록 필요한 메카니즘을 제공한다.

본 발명의 상기한 목적 및 다른 목적은 다음의 명세서 및 첨부된 도면을 참조하여 쉽게 이해될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 소프트-P柵 스위칭을 구비한 이중 포워드 DC-DC 변환기 회로의 개략도.

도 2A-2M은 도 1에 도시한 DC-DC 변환기 회로에서 여러 회로 소자의 시간 함수로서 전압 및 전류의 주요 파형을 나타낸 도면.

도 3A-3E는 본 발명에 따른 이중 포워드 DC-DC 변환기 회로의 주요 동작단을 나타낸 것으로, 각단에서 전류 흐름 방향을 선으로 표시한 도면.

도 4는 XFRM의 자화 전류를 입력 혹은 전압원으로부터 분리시켜 재순환 에너지를 감소키도록 한 본 발명의 대안 실시예에 대한 개략도.

도 5는 종래의 정류기 다이오드에 대해 동기 정류기를 사용한 응용에 특히 적합하게 한 본 발명의 또 다른 대안 실시예의 개략도.

도 6은 다중 출력 전압이 요구되는 응용시 본 발명의 개략도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

M₁:주 스위치

M₂:보조 스위치

C_R:공진 캐패시터

C₁, C₂:스노버 캐패시터

모든 형태의 전력 변환에서 고려할 두 개의 중요한 것은 효율 및 전력밀도이다. 소프트 스위칭을 갖춘 DC-DC 변환기 회로는 종래의 PWM스위칭 전력 공급보다 비교적 양호한 결과를 제공하는 것으로 알려져 있다. 본 발명에 따른 소프트-PWM 스위칭을 구비한 이중 포워드 DC-DC 변환기는 스위칭 소자의 스위칭 손실를 최소화하며 아울러 정류기 다이오드에 연관한 역 회복 손실을 제거하는 회로를 포함한다.

본 발명에 따른 이중 포워드 DC-DC 변환기 회로의 중요한 특징은 회로 복잡성을 최소로 하고, 회로를 부가시킴에 따른 손실을 최소로 하여 스위칭 및 역 회록 손실을제거하는 것이다.

본 발명에 따른 이중 포워드 DC-DC 변환기 회로를 도 1에 도시하였으며 전체를 참조부호(20)으로 하였다. 포워드 DC-DC 변환기 회로(20)는 턴수가 n₁인 단일 1차 권선과 각각의 턴수가 n₂인 두 개의 2차 권선을 갖는 변압기(XFRM)을 포함한다.주 스위치(M₁)은 예를 들면 고체상태 스위치로서 이를테면, 게이트, 드레인 소스 단자를 갖는 MOSFET같은 것으로 1차 권선에 에너지 흐름을 제어하는데 사용된다. 특히, 주 스위치(M₁)의 드레인 및 소스 단자는 1차 권선과 직결로 점속된다. 한쌍의 입력 단자는 1차 권선 및 주 스위치(M₁)에 접속된다. DC 전압원은 입력 단자에 결합된다.

보조 스위치(M₂)은 예를 들면 고체상태 스위치로서 게이트, 드레인 및 소스단자를 갖는 MOSFET같은 것으로 주 스위치(M₁)의 드레인 및 소스 단자간에 전기적으로 결합된 드레인 및 소스 단자가 접속되어 있다. 공진 캐패시터(C_R)과 함꼐 보조스위치(M₂)는 변압기 코어를 리셋함과 아울러, 주 스위치(M₁) 및 보조 스위치(M₂)가 제로-전압 스위칭을 할 수 있게 하는데 사용된다. 공진 캐패시터(C_R)는 도시한 바와 같이, 두 개의 스위치(M₁,M₂) 간에 접속된다. 주 스위치(M₁)와 보조스위치(M₂)의 게이트 단자는 이들 스위치(M₁,M₂)가 동시에 온되지 않고 서로 보완적으로 동작되도록 제어 .로직에 접속된다. 제어 회로는 주 스위치(M₁)가 턴오프된 후, 보조 스위치(M₂)가 턴온되기 전에 소정의 데드(dead) 타임을 제공하기 위한 것이다. 데드 타임은 보조 스위치(M₂)가 턴오프되고 주 스위치(M₁)가 다시 턴온되기 전 시간으로부터 제공된다. 이들 데드 타임에 대해 이하 보다 상세히 설명한다.

무손실 스노버(C₁및 C₂)는 주 스위치(M₁) 및 보조 스위치(M₂) 각각의 드레인및 소스 단자간에 병릴로 접속된다. 이들 무손실 스노버는 이하 상세히 설명되는 바와 같이, 스위치(M₁,M₂)에 걸린 전압을 공진 캐패시터(C_R)에 걸린 전압(V_CR)으로 제한함으로써 주 스위치(Ml) 및 보조 스위치(M2)의 턴오프 손실을 감소시킨다. 스노버(C₁및 C₂)는 이산 캐패시터(C_R). 스위치(M₁, M₂)에 관련된 스트레이 캐패시턴스 흑은 이들의 조합으로서 구현될 수도 있다.

다이오드(D₁, D₂)는 스위치(M₁,M₂) 각각의 드레인 및 소스 단자간에 접속된다. 이하 상세히 설명하는 바와 같이, 다이오드(D₁, D₂)는 공진 캐패시터(C_R) 및 변압기(XFRM)의 자화 인덕턴스와 함께 사용되어 스위치(M₁,M₂)의 턴온 손실을 최소화한다. 스위치(M₁, M₂)를 MOSFET로 구현한 경우, MOSFET의 바디(body) 다이오드를 다이오드(D₁, D₂)용으로 사용할 수 있다. 아니면, 다이오드(D₁, D₂)용으로 이산 다이오드역시 사용될 수 있다.

공진 캐패시터(C_R)는 주 스위치(M₁) 및 보조 스위치(M₂)의 각각의 드레인 혹은 소스 단자사이에 접속된다. 자화 인덕턴스 및 스위치(M₁,M₂)와 함꼐 공진 캐패시터(C_R)는 주 스위치(M₁)가 턴오프된 때 변압기 권선에 저장된 에너지를 변압기의 1차 권선에 접속된 DC 전압원으로 자동적으로 다시 전달함과 아울러, 스위치(M₁,M₂)의 제로-전압 턴온이 될 수 있게 한다. 특히, 일단 주 스위치(M₁)가 턴오프되면, 보조 스위치(M₂)에 결합된 다이오드(D₂)를 순방향으로 바이어스하게 되어 보조 스위치(M₂)는 상기 다이오드(D₂)가 도통된 동안 턴온될 수 있게 하며, 이러서 보조 스위치(M₂)가 제로 전압에서 턴온될 수 있게 한다. 일단 보조 스위치(M₂)가 턴온되면, 변압기 권선에 저장된 에너지는 자동적으로 변압기(XFRM)의 1차 권선에 접속된 DC전압원으로 되돌아 간다. 공진 캐패시터(C_R)은 또한 다이오드(D₁)을 순방향으로 바이어스함으로써 다이오드(D₁)이 도통되어 있는 동안 주 스위치(M₁)을 턴온시킴으로써, 주 스위치(M₁)가 제어 전압에서 턴온될 수 있게 한다. 이하 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 주 스위치(M₁)와 보조 스위치(M₂)에 걸리는 턴오프 전압 스트레스는 공진 캐패시터(C_R)에 걸린 전압(V_CR)로 제한되는데, V_CR은 통상 1.5 Vg이다.

상기 언급한 바와 같이, 변압기(XFRM)는 n₂턴수를 각각 갖는 두 개의 2차권선을 포함한다. 한쌍의 정류기 다이오드(D₃, D₄)는 2차 권선에 직렬로 접속된다. 정류기 다이오드(D₃, D₄)의 역 회복 손실을 제거하기 위해서, 한쌍의 포화가능 공진기(SR₃, SR₄)가 이용된다. 특히, 하나의 포화가능 공진기 SR₃(SR₄)가 정류기 다이오드D₃(D₄) 각각에 직렬로 접속된다. 프리휠링 다이오드(D₅)는 저역 통과 필터의 입력간에 접속된다. 포화가능 공진기(SR₃, SR₄)와 함께 프리휠링 다이오드(D₅)는 주 스위치(M₁) 및 보조 스위치(M₂)의 천이 시간 동안 부하전류가 2차로 계속 흐르게 한다.

출력 단자는 프리휠링 다이오드(D5) 양단으로 정해진다. 인덕터와 캐패시터(C)로 구성된 필터는 출력 단자 양단에 접속된다.

본 발명에 따른 이중 포워드 DC-DC 변환기 회로(20)을 이해하기 위해서, 포워드 모드(도 3A), 선형 소프트 천이 모드(도 3B), 플라이백/포워드 모드(도3C/3D), 및 공진 소프트 천이 모드(도 3E)인 4단의 회로 동작을 나타낸 도 3A 내지도 3E, 및 회로의 여러 구성요소의 전압 및 전류의 이상적인 파형을 도시한 도 2A내지 도 2M을 참조한다.

먼저 도 3A은 변환기의 포워드 모드 동작을 도시한 것이다. 이 모드에서, 이하 설명하는 바와 같이, 주 스위치(M₁)는 다이오드(D₁)가 도통된 동안 PWM 제어 회로(22)에 의해서 턴은된다. 이러한 PWM 제어 회로는 이 분야에 공지되어 있는 것으로 일반적으로 사용될 수 있는 것이다. 예를 들면, PWM 집적 회로로서, 실리콘 제너럴에서 제조한 모델 번호 SG1843가 이 응용에 적합하다.

일단 주 스위치(M₁)가 턴온되면, 전류는 변압기(XFRM)의 1차 권선, 주 스위치(M₁)의 드레인 및 소스단자를 통해 DC 전압원의 +측으로부터 DC 전압원의 -측으로흐른다. 이하 보다 상세히 설명하는 바와 같이, 주 스위치(M₁)는 다이오드(D₁)가 도통되어 있는 동안 턴온되어 도 2I에 도시한 바와 같이 주 스위치(M₁)가 제로 전압 턴온되는 결과로 되어, 이에 따라 주 스위치(M₁)가 턴온함에 따른 스위칭 손실을, 비록 제거하지는 않을지라도 최소화 하게 된다. 주 스위치(M₁)가 턴온된 후, 변압기(XFRM)의 1차 권선을 통한 전류는 변압기 권선의 자화 인던턴스(Lm) 및 입력 DC 전압(Vg)의 함수로서 선형으로 증가한다(ramp up).

이 모드에서, 에너지는 1차 권선으로부터 2차 권선으로 에너지가 전달되고, 이어서 캐패시터(C) 양단에 접속된 부하로 전달된다. 이 동작 모드는 프워드 변환기와 동일하다. 포드 모드시, 포화가능 공진기(SR₃)가 포화되며 이에 따라 턴온되어 전류가 다이오드(D₂), 인덕터(L), 부하를 통해 흐르게 되어 변압기(XFRM)의 2차권선으로 돌아간다. 이 상태 동안, 포화가능 공진기(SR₄)는 블록된 상태에 있다.

주 스위치(M₁)가 턴오프된 직후, 도 3B에 도시한 바와 같이, 회로는 소프트 천이 모드에 진입한다. 이 모드에서 포화가능 공진기(SR₃, SR₄) 및 프리휠링 다이오드에 의해서 정류기 다이오드(D₃)가 소프트 스위칭된다. 특히, 주 스위치(M₁)가 턴오프된 직후(보조 스위치(M₂)가 턴온되지 전 데드 타임 동안) 1차 권선 양단의 전압(V_pr)은 도 2C에 도시한 바와 같이, 양의 값에서 음의 값으로 전이한다. 이 기간 동안 변압기(XFRM)의 1차 권선을 통한 전류(I_pr)는 도 2C에 도시한 바와 같이 양의 값이다. 1차 권선을 통과하는 이 전류(I_pr)는 공진 캐패시터(C_R)을 충전하고, 이어서 보조 스위치(M₂) 양단에 접속된 다이오드(D₂)를 순방향으로 바이어스함에 따라 전류(I_pr)는 다이오드(D₂)를 통해 흐르게 된다. 이 모드에서, 주 스위치(M₁)의 드레인 및 소스 단자 양단에 접속된 스노버 캐패시터(C₁)는 도 2I에 도시한 바와 같이, 공진 캐패시터(C_R)양단의 전압과 동일한 값(V_CR)으로 서서히 충전됨에 따라 주 스위치(M₁)의 턴오프에 관련된 전압 스트레스를 제한한다.

1차 권선 양단의 전압이 제로보다 커질 동안, 포화가능 공진기(SR₃)가 도통하여, 정류기 다이오드(D₃)를 바이어스하게 됨에 따라 전류가 포화가능 공진기(SR₃), 다이오드(D₃), 인덕터(L), 부하를 통해 다시 2차 권선으로 흐르게 된다. 일단 1차 권선 양단의 전압이 제로 이하로 떨어지면, 프리훨링 다이오드(D₅)에 의해서 전류가 다이오드(D₅), 인덕터(L) 부하 및 다시 다이오드(D₅)를 통해 순환하게 된다.

전류는 D₃에서 D₅로 전환된다(전환 속도는 2차 누설에 의해서 결정된다). 다이오드(D₃)에서 전류(i_D3)가 제로에 이를 때, 포화가능 공진기(SR₃)는 이의 고임피던스를 회복하며, 도 2F에 표시된 바와 같이, 다이오드(D₃)의 역 회복 손실을 제거한다. 포화가능 공진기(SR₄)가 아직 블록상태에 있기 때문에, SR₃에는 천이기간 동안 전압이 인가되지 않는다. 그러므로, 소프트 스위치되는 것이다. 다이오드(D₃)도 그러하다.

일단 보조 스위치(M₂)가 턴온하면, 변압기 권선을 통하는 바이폴라 자화 전류(i_mg)는 최대 피크에서 평탄한 음의 피크로 간다. 자화 전류(i_mg)가 양이면, DC 변환기 회로(20)는 도 3C에 도시한 바와 같이 플라이백 모드에서 동작한다. 자화전류(i_mg)가 일단 양의 값에서 음의 값으로 가면, 그 동안 보조 스위치(M₂)가 닫힌다. 자화 전류가 음으로 갈 때, 전류는 도 3D에 도시한 바와 같이 포워드 모드에서 동작한다.

다시 도 3C에서, 플라이백모드에서, 자화 전류(img)는 DC 전원의 +측에서 1차 권선, 공진 캐패시터(C_R), 다이오드(D₂), 보조 스위치(M₂)의 드레인 및 소스 단자 및 다시 DC 전원의 -측으로 순환된다. 보조 스위치(M₂)는 다이오드(D₂)가 도통하고있는 동안 턴온되어, 보조 스위치(M₂)의 제로-전압 스위칭을 실현하게 된다.1차 권선 양단의 전압(V_pr)이 이 기간 동안 음이기 때문에, 포화가능 공진기(SR₃)는 이것이 도통할 동안 블록상태로 된다. 이러한 상태에서 다이오드(D₄)는 순방향 바이어스됨에 따라 전류는 2차 권선으로부터 포화가능 공진기(SR₄), 다이오드(D₄), 인덕터(L),부하를 통해 다시 2차 권선으로 흐르게 된다. 부하에 제공된 에너지는 변압기로부터 온 것임에 유의한다. 이것은 플라이백 변환기와 유사한 것이다. 그러나, 변압기 양단의 전압(V_pr)은 플라이백 변환기와 같이 출력 전압에 의해서 결정되는 것이 아니다. 이보다는 전압(V_pr)은 공진 캐패시터(V_m) 양단의 전압에 의해서 결정되는 것으로, 이것은 포워드 변환기와 유사한 것이다. 이 차이점을 표시하기 위해서 프라이백은 인용표시가 되어 있다. 전류 미러(mirror)는 없으므로 이 플라이백 모드기간은 종래 기술의 경우보다 훨씬 짧은 것에 유념한다. 이것은 록업(1ocked-up)모드가 발생되는 것을 방지하는네 필요한 것이다.

일단 자화 전류(i_pg)가 음으로 가면, DC-DC 변환기 회로(20)은 도 3D에 도시한 바와 같이 포워드 모드에서 동작하여 자화 전류(i_mg)는 DC 전압원의 -측에서, 보조 스위치(M₂), 공진 캐패시터(C_R)및 1차 권선을 통해 다시 DC 전압원의 +측으로 순환하게 된다.1차 권선 양단의 전압은 이 상태에서 음이기 때문에, 포화가능 공진기(SR₃)은 포화가능 공진기(SR₄)가 도통상태에 있을 동안 블록상태로 되어 전류는 포화가능 공진기(SR₄), 다이오드(D₄), 인덕터(L), 부하를 통해 다시 2차 권선으로 순환한다. 부하에 제공된 에너지는 공진 캐패시터(C_R)로부터 온 것임에 유의한다. 이 에너지 전달 메카니즘은 포워드 변환기와 유사하다.

플라이백/포워드 기간 동안, 저역 통과 필터에 나타난 전압은 주 스위치 (M₁)의 스위칭 사이클 동안 도 2M에 나타낸 바와같이 제 2의 전압 펄스이다. 펄스의 진폭은 (V_g-V_CR)/n으로 주어진다. 이것은 종래의 포워드 변환기와 현저히 다른 것이다.(종래의 포워드 변환기에서, 저역 통과 필터에 나타나는 단지 하나의 전압 펄스만이 있다). 그러므로, 본 발명은 이중 프워드 변환기로 부르는 것이 적합하다. 사실, 직접적인 해석을 하면 전압 변환비는 M△V/V₁= 2d/n로 주어지며, 이것은 M =d/n일 때 포워드 변환기의 경우의 값의 정확히 2배이다.

이중 포워드 하는 것의 특징은 응용에 따라, 2-10%/ 범위 내의 것이면 효율이 증가하는 능력을 나타낸다. 이 효율의 이득인 종래의 포워드 변환기에서 50%와 비교해 볼 때,1에 가까운 최대 듀티비를 실현함으로써 얻어진다.

보조 스위치(M₂)가 턴오프된 후, DC-DC 변환기 회로(20)는 도 3E에 도시한바와 같이 제 2의 천이 모드로 진입한다. 상기 설명한 바와 같이, 데드타임은 보조 스위치(M₂)의 턴오프와 주 스위치(M₁)의 턴온간에 존재한다. 도 2C에 도시한 바와 같이, 이 데드타임 동안,1차 권선(V_pr)의 전압은 소스 전압(V_g)와 동일한 양의 값으로 선형으로 증가한다(ramp up). 보조 스위치(M₂)가 턴오프된 직후, 전류는 DC전원의 -측으로부터 보조 스위치(M₂), 공진 캐패시터(C_R),1차 권선을 통해 다시 DC 전원의 +측으로 계속하여 흐른다. 전류는 DC 전압원의 -측으로부터 스노버 캐패시터(C₁)으로 또한 흐름으로서, 스노버 캐패시터(C₁)을 방전시킴에 따라 다이오드(D₁)이턴온하게 되고, 이어서 주 스위치(M₁)이 다음 사이클 동안 제로 전압에서 턴온할 수 있게 된다. 보조 스위치(M₂)가 턴오프되면, 스노버(C₂)는 보조 스위치(M₂) 양단의 전압을 공진 캐패시터(C_R) 양단의 전압(V_m)로 제한한다. 주 스위치(M₁)에서의 음의 전류는 작도록 설계될 필요가 있음에 유의한다. 그러므로, 부가된 도통 손실에 어떠한 현저한 대가도 발생하지 않는다. 작은 음의 전류는 록업 모드를 회피하는 것에 도 일관한다.

보조 스위치(止)가 턴오프된 후, 포화가능 공진기(SR₄)가 도통하여 다이오드(D₄)를 순방향 바이어스함으로써 이 다이오드는 1차 전압(V_pr)이 제로 이하일 때 도통할 수 있다. 1차 전압(V_pr)이 제로보다 크게 상승되면, 프리휠링 다이오드(D₅)는 도통하기 시작하여 인덕터(L), 부하를 통해 다시 프리휠링 다이오드(D₅)로 전류가 순환할 수 있게 됨과 동시에, 포화가능 공진기(SR₃)가 블록 모드에 있게 됨에 따라 정류기 다이오드(D₄)의 소프트 천이를 제공하므로 다이오드(D₄)의 역 회복 손실을 제거하게 된다. 포화가능 공진기(SR₃)가 블록 상태에 있으므로, D₄에서 D₅로 부하 전류의 천이는 스위칭 손실을 전혀 발생하지 않는다.

소프트 천이의 2개의 시간 구간 동안, 프리휠링 다이오드(D₅)는 부하 전류를 변환기의 2차측으로 제한함에도 유의한다. 이 특징은 1차 천이가 순서대로 진행되게 할 뿐만아니라, 순환하는 에너지를 최소로 제한한다(그러므로 개선된 효율).

본 발명의 또 다른 현저한 개선은 바람직하지 않은 록업 모드를 회피하는 능력이다. 부가적인 회로가 필요하지 않다. 주 파라미터를 적합하게 설계함에 따라 회로는 도 2L에 표시한 바와 같이 다른 모드에서 동작하게 된다. 전류 파형은 더이상 대칭이 아니며 전류 미러는 없다. 공진 캐패시터가 리셋하는데 더 많은 시간이 주어질 수 있다. 그러므로, 이 회로는 천이 상태를 허용할 수 있고 록업될 가능성이 없다. 결국, 변환기의 신뢰성이 대폭적으로 증가된다.

본 발명의 대안 실시예를 도 4,5,6에 도시하였다. 간단히 하기 위해서, 동일 구성요소에 동일 참조부호를 할당하였다. 프라임, 이중 프라임 표시는 여러 실시예간 구별을 위해 사용된 것이다.3개의 실시예 모두 도 1에 도시한 실시예와 유사한 방식으로 동작한다.

3개의 실시예는 변환기의 출력 단자로부터 PWM 제어 회로로의 피드백을 포함하고 있다. 도 1에 대한 실시예 각각 간의 다른 차이점을 다음에 설명한다.

도 4는 도 1과 유사하나, 보조 스위치(M₂)가 설치된 위치가 상이하다. 이 실시예에서 보조 스위치(M₂)는 변압기(XFRM)의 1차 권선 n₁양단에 접속된다. 즉, 보조 스위치(M₂)는 게이트, 드레인 및 소스 단자를 갖는 MOSFET로서 실헌된다. 드레인및 소자 단자는 1차 권선 양단에 전기적으로 결합된다. 프라임 표시된 공진 캐패시터(C_R)는 보조 스위치(M₁)과 보조 스위치(M₂) 간에 결합된다.

도 5는 본 발명의 또 다른 대안 실시예를 나타낸 것이다. 이 실시예는 특히 종래의 정류기 다이오드에 비해 동기 정류가 바람직한 응용에 특히 적합하다. 이실시예는 도 1에 도시한 실시예와 유사하나, 정류기 다이오드(D₃및 D₄)가 동기 정류기(SD₃, SD₄)로 대치된 점이 상이하다.

도 6은 다중 출력을 제공하는 본 발명의 또 다른 대안 실시예이다. 이 실시예에서, 변압기(XFRM)에는 복수의 독립된 2차 권선이 설치되어 있다. 예를 들면,3개의 독립된 2차 권선은 도 6에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 각각의 독립된 세트의 2차 권선은 도 1과 같이 2개의 권선을 포함한다. 그외 회로는 도 1에 도시한 실시예와 유사하다.

본 발명의 명백히 많은 수정 및 변이가 상기 교시된 바에 비추어 가능하다.따라서, 첨부된 청구범위 내에서, 본 발명은 상기 구체적으로 설명된 바대로 실시될 수 있는 것이다.

Claims

DC-DC 변환기 회로에 있어서,

DC 전압원에 결합되도록 된 1차 권선 및 복수의 2차 권선을 갖는 변압기와;

펄스 폭 변조 회로에 의해서 제어되도록 된 것으로, 상기 1차 권선 및 상기 DC 전압원에 전기적으로 결합된 주 스위치와;

상기 1차 권선 및 상기 DC 전압원에 전기적으로 결합되어, 상기 주 스위치가 턴오프된 때 자화 전류를 상기 DC 전압원으로 자등 복귀시키는 리셋 회로와;

상기 복수의 2차 권선 중 하나에 전기적으로 결합된 제 1의 정류기 다이오드와;

상기 제 1의 정류기 다이오드에 직렬로 결합된 제 1의 포화가능 공진기와;

상기 복수의 2차 권선의 다른 것에 전기적으로 결합된 제 2의 정류기 다이오드와;

상기 제 2의 정류기 다이오드에 직렬로 결합된 제 2의 포화가능 공진기와;

상기 제 1의 정류기 다이오드와 상기 제 2의 정류기 다이오드 사이에 전기적으로 결합된 제 2의 포화가능 공진기와;

상기 제 1의 정류기 다이오드와 상기 제 2의 정류기 다이오드 사이에 전기적으로 결합된 프리휠링 다이오드;및

상기 프리휠링 다이오드 양단으로 정해진 한쌍의 출력 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
제 1항에 있어서, 상기 주 스위치는 고체상태 스위치인 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
제 2항에 있어서, 상기 고체상태 스위치는 게이트, 드레인 및 소스 단자를 갖는 MOSFET인 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
제 1항에 있어서, 상기 리셋 회로는 보조 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
제 4항에 있어서, 상기 리셋 회로는 게이트, 드레인 및 소스 단자를 갖는 MOSFET로서 구현된 보조 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로
제 4항에 있어서, 상기 주 스위치와 보조 스위치간에 전기적으로 접속된제 1의 캐패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
제 1항에 있어서, 상기 주 스위치 양단에 병렬로 접속된 제 1의 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
제 7항에 있어서, 상기 제 1의 다이오드에 병렬로 접속된 제 l의 캐패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
제 4항에 있어서, 상기 보조 스위치 양단에 병렬로 접속된 제 2의 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
제 9항에 있어서, 상기 보조 스위치 양단에 병렬로 접속된 제 2의 캐패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
제 1항에 있어서, 상기 필터 회로는 인덕터 및 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
제 1항에 있어서, 상기 복수의 2차 권선은 동일 턴수를 갖는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
DC-DC 변환기 회로에 있어서,

DC 전압원에 전기적으로 결합되도록 된 1차 권선 및 복수의 2차 권선을 갖는 변압기와;

상기 DC 전압원 및 상기 1차 권선간에 전기적으로 결합되어, 상기 DC 전압원 및 상기 변압기로부터 에너지 전달을 게어하기 위한 주 스위치와;

상기 1차 권선 및 상기 주 스위치에 전기적으로 결합된 한쌍의 입력 단자와;

상기 주 스위치를 제어하기 위한 펄스 폭 변조 회로와;

상기 주 스위치가 턴오프된 때 상기 변압기 내 에너지를 제 1의 캐패시터와 함꼐 자동으로 방전시키는 것으로서, 상기 주 스위치 및 상기 제 1의 캐패시터에 전기적으로 결합된 보조 스위치와;

상기 복수의 2차 권선에 전기적으로 결합된 제 1 및 제 2의 정류기 다이오드와;

상기 제 1의 정류기 다이오드에 직렬로 결합된 제 1의 포화가능 공진기와;

상기 제 2의 정류기 다이오드에 직릴로 결합된 제 2의 포화가능 공진기와;

상기 제 1 및 제 2의 정류기 다이오드에 전기적으로 결합된 것으로, 상기주 및 보조 스위치가 턴오프된 때 도통하여 상기 제 1 및 제 2의 정류기 다이오드의 역 회복 손실을 방지하는 프리횔링 다이오드;및

상기 프리휠링 다이오드 양단으로 전기적으로 결합된 한쌍의 출력 단자를포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
제 13항에 있어서, 상기 한쌍의 출력 단자에 전기적으로 결합된 필터 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
제 14항에 있어서, 상기 필터 회로는 캐페시터 및 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
제 13항에 있어서, 상기 주 및 보조 스위치 각각의 양단에 전기적으로 접속된 제 1 및 제 2의 스노버 캐패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
제 17항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2의 스노버 캐패시터 각각의 양단에 전기적으로 접속된 제 1 및 제 2의 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
제 17항에 있어서, 상기 주 및 보조 스위치는 MOSFET이며 상기 제 1 및 제 2의 다이오드는 상기 MOSFET의 바디 다이오드인 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기회로.
제 l항에 있어서, 상기 출력 단자 양단에 전기적으로 결합된 필터 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
DC-DC 변환기 회로에 있어서,

DC 전압원에 결합되도록 된 1차 권선 및 복수의 2차 권선을 갖는 변압기와;

펄스 폭 변조 회로에 의해서 제어되도록 된 것으로, 상기 1차 권선 및 상기 DC 전압원에 전기적으로 결합된 주 스위치와;

상기 1차 권선 및 상기 DC 전압원에 전기적으로 걸합되어, 상기 주 스위치가 턴오프된 때 자화 전류를 상기 DC 전압원으로 자동 복귀시키는 것으로, 상기 1차 권선에 전기적으로 결합된 보조 스위치를 포함하는 리셋 회로와;

상기 복수의 2차 권선 중 하나에 전기적으로 결합된 제 1의 정류기 다이오드와;

상기 제 1의 정류기 다이오드에 직렬로 결합된 제 1의 포화가능 공진기와;

상기 복수의 2차 권선의 다른 것에 전기적으로 결합된 제 2의 정류기 다이오드와;

상기 제 2의 정류기 다이오드에 직렬로 결합된 제 2의 포화가능 공진기와;

상기 제 1의 정류기 다이오드와 상기 제 2의 정류기 다이오드 사이에 전기적으로 결합된 프리휠링 다이오드;및

상기 프리휠링 다이오드 양단으로 정해진 한쌍의 출력 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
DC-DC 변환기 회로에 있어서,

DC 전압원에 결합되도록 된 1차 권선 및 복수의 2차 권선을 갖는 변압기와;

펄스 폭 변조 회로에 의해서 제어되도록 된 것으로, 상기 1차 권선 및 상기 DC 전압원에 전기적으로 결합된 주 스위치와;

상기 1차 권선 및 상기 DC 전압원에 전기적으로 결합되어, 상기 주 스위치가 턴오프된 때 자화 전류를 상기 DC 전압원으로 자동 복귀시키는 리셋 회로와;

상기 복수의 2차 권선 중 하나에 전기적으로 결합된 제 1의 동기 정류기와;

상기 제 1의 정류기 다이오드에 직렬로 결합된 제 1의 포화가능 공진기와;

상기 복수의 2차 권선의 또 다른 것에 전기적으로 결합된 제 2의 동기 정류기와;

상기 제 2의 정류기 다이오드에 직렬로 결합된 제 2의 포화가능 공진기와;

상기 제 1의 정류기 다이오드와 상기 제 2의 정류기 다이오드 사이에 전기적으로 결합된 프리휠링 다이오드;및

상기 2차 권선에 전기적으로 결합된 한쌍의 출력 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
DC-DC 변환기 회로에 있어서,

DC 전압원에 결합되도록 된 1차 권선 및 복수의 독립된 2차 권선을 갖는 변압기와;

펄스 폭 변조 회로에 의해서 제어되도록 된 것으로, 상기 1차 권선 및 상기 DC 전압원에 전기적으로 결합된 주 스위치와;

상기 1차 권선 및 상기 DC 전압원에 전기적으로 결합되어, 상기 주 스위치가 턴오프된 때 자화 전류를 상기 DC 전압원으로 자동 복귀시키는 리셋 회로와;

상기 복수의 독립된 2차 권선 각각에 전기적으로 결합된 제 1 및 제 2의 정류기 다이오드와;

상기 제 1의 정류기 다이오드들 각각에 직렬로 결합된 제 1의 포화가능 공진기와;

상기 제 2의 정류기 다이오드들 각각에 직릴로 결합된 제 2의 포화가능 공진기와;

상기 제 1의 정류기 다이오드와 상기 제 2의 정류기 다이오드 사이에 전기적으로 결합된 프리횔링 다이오드;및

상기 2차 권선 각각에 전기적으로 결합된 한쌍의 출력 단자를 프함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
이중 포워드 DC-DC 변환기에 있어서,

DC 전압원에 결합되도록 된 1차 권선 및 복수의 독립된 2차 권선을 갖는 변압기와;

펄스 폭 변조 회로에 의해서 제어되도록 되어 있고, 상기 1차 권선 및 상기 DC 전압원에 전기적으로 결합된 것으로, 온 및 오프 사이클이 스위칭 사이클을 정하는 주 스위치와;

상기 1차 권선에 전기적으로 결합되어, 상기 주 스위치가 턴오프된 때마다 자화 전류를 상기 전압원으로 자동 복귀시키는 것으로 각각의 스위칭 사이클에 적어도 2개의 펄스를 상기 출력 단자에 제공하는 수단을 포함하는 리셋 회로;및

상기 2차 권선 각각에 전기적으로 결합된 한쌍의 출력 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 포워드 DC-DC 변환기.
DC-DC 변환기 회로에 있어서,

DC 전압원에 결합되도록 된 1차 권선 및 소정의 2차 권선을 갖는 변압기와;

펄스 폭 변조 회로에 의해서 제어되도록 되어 있고, 상기 1차 권선 및 상기 DC 전압원에 전기적으로 결합된 것으로, 온 및 오프 사이클이 스위칭 사이클을 정하는 주 스위치와;

상기 1차 권선 및 상기 DC 전압원에 전기적으로 결합되어, 상기 주 스위치가 턴오프된 때마다 자화 전류를 상기 DC 전압원으로 자동 복귀시키는 리셋 회로와;

상기 2차 권선에 전기적으로 결합된 제 1의 정류기 디바이스와;

상기 제 1의 정류기 디바이스에 직렬 결합된 제 1의 포화가능 공진기와;

상기 2차 권선에 전기적으로 결합된 제 2의 정류기 디바이스와;

상기 제 2의 정류기 디바이스에 직렬 결합된 제 2의 포화가능 공진기와;

상기 제 1의 정류기 디바스와 상기 제 2의 정류기 디바이스간에 전기적으로 결합된 프리훨링 다이오드;및

상기 프리횔링 다이오드에 전기적으로 결합된 출력 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
제 24항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2의 정류기 디바이스는 동기 정류기인 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
제 24항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2의 정류기 디바이스는 정류기 다이오드인 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
제 24항에 있어서, 상기 소정의 2차 권선은 복수의 독립된 2차 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.
제 24항에 있어서, 상기 리셋 회로는 복수의 펄스를 스위칭 사이클마다 상기 출력단자에 제공하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환기 회로.