KR19980031946A - 출력전류의 리플(ripple) 저감(低減)이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로 - Google Patents

출력전류의 리플(ripple) 저감(低減)이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래와는 달리 별도의 포화리액터나 능동소자를 사용하지 않고 2차측의 수동소자만으로써 소수 캐리어(carrier)소자로 구성되는 스위칭소자에 대해서도 영전압/영전류 스위칭이 가능하고 또한 출력전류의 리플도 현격히 감소시킬 수 있는 출력전류의 리플저감이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로에 관한 것으로서, 본 발명이 설치된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터가, 풀 브릿지의 스위치(S1,S2,S3,S4)의 개폐동작에 따라 1차측의 전류와 전압을 2차측에 유도하는 변압기(T); 2차측에서 전류를 일방향으로 흐르도록 하는 풀 브릿지 정류기(BD10); 및 2차측의 출력필터(LO,CO);와 본 발명에 따른 구성요소로서; 상기 정류기(BD10)의 출력단과 접지사이에 직렬로 연결되는 캐패시터(C100);와 방전 다이오드(D100); 상기 캐패시터(C100)와는 병렬로 연결되되, 각 소자는 직렬로 연결된 출력평활용 인덕터(LO)의 2차권선(LO2);과 충전 다이오드(D101); 및 상기 충전 다이오드(D101)의 전류출력점과 접지사이에 연결되는 제 2 용량성소자(C101);를 포함하여 구성되어 영전압/영전류 스위칭은 물론, 상기 출력필터의 인덕터(LO)에 흐르는 전류의 리플제거도 함께 이루게 함으로써, 본 발명에 따른 회로가 설치되는 풀 브릿지 DC/DC 컨버터는 포화 리액터와 같은 손실성 부품이나 능동소자와 같은 고가의 부품을 포함하지 않도록 하여 저원가로 구현할 수 있도록 하고, 고전력밀도화가 가능하도록 하며 또한 대용량화가 용이해서 대용량 고주파 스위칭의 DC/DC 컨버터 분야에서도 널리 사용될 수 있도록 매우 경제적이고 유용한 발명인 것이다.

Description

출력전류의 리플(ripple) 저감(低減)이 가능한 풀브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로
본 발명은 출력전류의 리플저감이 가능한 풀 브릿지(Full-Bridge) DC/DC컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래와를 달리 별도의 포화리액터나 능동소자를 사용하지 않고 2 차측의 수동소자만을 사용하여 소수 캐리어(carrier)소자로 구성되는 스위칭소자에 대해서도 영전압/영전류 스위칭이 가능하도록 할 뿐만 아니라, 부하에 공급되는 출력전류의 리플성분도 효과적으로 감소시킬 수 있는 출력전류의 리플 저감이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로에 관한 것이다.
전력용 반도체소자의 스위칭 동작에서는 전압과 전류가 소자에 따라 일정한 지연과 기울기를 가지고 변화하기 때문에 스위치를 단락(이하, 턴온(Turn-On)이라 함) 또는 개방(이하, 턴오프(Turn-Off)라 함)시키게 되면 스위치에 전압과 전류가 동시에 가해지는 구간이 발생하게 되며 따라서, 이 구간동안에는 전압과 전류의 곱에 해당하는 스위칭의 전력손실이 발생하게 된다. 특히, 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)나 게이트 턴오프 사이 리스터(GTO:Gate Turn Off Thyri stor)와 같은 소자는 도7에서 보는 바와 같이 턴오프에 꼬리(tail)전류가, 스위치의 양단에 전압이 충분히 가해진 후에도 일정구간('L'로 표시된 구간)동안 흐르기 때문에 턴오프시의 스위칭손실이 매우 크다.
상기와 같은 스위칭손실은 소자가 개폐되는 주파수에 비례해서 증가하기 때문에 소자로 최대 스위칭 주파수를 제한하는 요소가 된다. 따라서, 이러한 특성을 갖는 소자들의 스위칭손실을 줄이고 고주파의 스위칭을 가능하게 하려면 도8의 (가)의 같은 영전압 스위칭이나 도8의 (나)와 같은 영전류 스위칭의 방법을 사용하여야 한다. 영전압 스위칭은 스위칭소자와 역병렬로 연결된 다이오드가 환류전류에 의해 도통되어 스위칭소자 양단의 전압이 영이 된 후 턴온하게 되면 도8의 (가)에서 보는 바와 같이 스위칭에 따른 전력손실을 완전히 제거한다. 그러나, 스위칭소자가 턴오프할 때는 도7의 하드스위칭(Hard-Switching)의 경우와 같아서 손실이 줄어들지 않는다. 이러한 손실을 제거하기 위해 스위칭소자의 양단에 스너버(snubber) 캐패시터(capacitor)를 연결하는 도8의 (강)에서 보는 바와 같이 전압증가 속도가 저하되어 전류가 감소하는 구간동안의 전력손실은 줄어들게 된다.
영전류 스위칭은 도8의 (나)에서 보는 바와 같이 스위칭소자에 흐르는 전류가 영일때 스위칭소자를 턴오프하게 되는 데, 이 때는 꼬리전류를 형성하는 축적된 수소 캐리어가 모두 사라진 뒤이므로 턴오프에 의한 전력손실을 발생하지 않게 되는 것이다. 그러나, 턴온시에는 일반적으로 도7의 하드스위칭과 같아서 다이오드의 역회복 시간에 의한 손실이 있으나 풀 브릿지 DC/DC 컨버터에서는 다이오드가 역회복되는 경우가 발생하지 않기 때문에 턴온할 때도 손실은 거의 발생하지 않는다. 따라서, 풀 브릿지 DC/DC 컨버터에 있어서는 있어서는 영전류 스위칭이 영전압 스위칭보다 약간 유리함을 알 수 있다.
현재, 대용량 고주파 스위칭 용도에 영전압 스위칭의 풀 브릿지 DC/DC 컨버터가 널리 사용되고 있으나, 영전압 스위칭이 되는 부하범위가 좁아서 스위칭소자와 병렬로 큰 스버너 캐패시터를 연결할 수가 없으므로 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)나 게이트 턴오프 사이리스트(GTO)와 같은 소수 캐리어 소자를 사용하여 고주파 스위칭을 하는 데는 스위칭손실을 따른 어려움이 많다.
이러한 문제를 해결하기 위해 절연게이트 바이폴라 트랜지스터나 게이트 턴오프 사이리스트와 같은 소수 캐리어 소자에 대해서도 고주파 스위칭이 가능하도록 도6과 같은 영전압 스위칭과 영전류 스위칭이 혼합된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터들이 제안되어 사용되고 있다.
도6의 풀 브릿지 DC/DC컨버터에서는, 1차측의 왼쪽 레그(S1,S3)는 영전압 스위칭을 수행하고, 오른쪽 레그(S2,S4)는 영전류 스위칭을 넓은 부하범위에서 수행하여 절연게이트 바이폴라 트랜지스터나 게이트 턴오프 사이리스터와 같은 턴오프시 꼬리전류 특성을 갖는 소자들에 대해서도 고주파 스위칭이 가능하게 되며 환류모드시에는 2차측 전류가 1차측을 통해서 환류하지 않고 2차측 정류소자 (D1,D2,D3,D4)를 통해 환류하기 때문에 1차측 스위칭소자(S1,S2,S3,S4) 및 변압기(T)에 의한 도통손실이 감소하게 된다.
그러나, 도6과 같이 구성되는 풀 브릿지 영전압/영전류 DC/DC 컨버터들은 각각의 문제점을 가지고 있는 바, 도6의 (가)에 도시된 컨버터회로는 1차측에 포화 리액터(SR)를 포함함으로써 부가적인 전력손실과 포화리액터(SR)를 냉각시켜야 하는 문제점이 있는 것이며, (나)에 도시된 컨버터회로는 2차측 회로에 능동소자가 포함됨으로써 원가가 상승되는 문제점 및 이 능동소자를 제어하기 위한 별도의 제어회로가 필요한 문제점이 있는 것이며, (다)에 도시된 컨버터회로는 비록 수동소자만을 포함하여 있지만 변압기(T)의 누설 인덕턴스(inductance)와 보조회로부(10)내의 캐패시터와의 공진에 의해 2 차측의 정류기 전압(Vrec)이 정상상태의 2 배 가까이 상승하여 정류기 다이오드 (D1,D2,D3,D4)의 전압 스트레스를 증가시키고, 또한 소자수도 많은 문제점이 있는 것이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소시키기 위해서 창작된 것으로서, 포화리액터와 같은 손실성 소자나 능동소자가 사용되지 않으며 또한 정류기에 높은 전압 스트레스가 인가되지 않은 적은 수의 소자를 이용한 출력전류의 리플 저감이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로를 제공하는 것이며, 본 발명의 다른 목적은, DC/DC 컨버터의 부하에 제공되는 출력전류의 리플을 효과적으로 억제할 수 있는 출력전류의 리플 저감이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 포화리액터와 같은 손실성 소자나 능동소자가 사용되지 않으며, 또한 정류기에 높은 전압 스트레스가 인가되지 않을 뿐만 아니라 컨버터의 출력필터를 이용함으로써 보다 더 적은 수의 소자로 간단히 구현이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로를 제공한는것이며, 본 발명의 다른 목적은, 본 발명에 따른 회로내의 용량성소자에 전류가 충전될 때, 전류에 과도한 피크가 발생하지 않도록 하는 출력전류의 리플 저감이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로를 제공하는 것이다.
도1은 본 발명에 따른 출력전류의 리플 저감이 가능한 풀 브릿지 DC/DC컨버의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로를 일실시예가 설치된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터로서,
(가)는 영전압/영전류 스위칭만을 위한 회로가 설치된 것이고,
(나)는 출력전류의 리플도 감소시킬 수 있는 회로가 설치된 것이고,
도2는 본 발명에 따른 출력전류의 리플 저감이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로의 다양한 실시예가 설치된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터로서,
(가), (나), 그리고 (다)는 본 발명에 따른 도1의 (가) 회로의 다양한 변형을 보여주기 위한 것이고,
(라)는 출력필터의 인덕터의 2차권선을 이용하지 않은 다른 실시예를 도시한 것이도,
도 3은 본 발명에 따른 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭과 출력전류의 리플 저감을 위한 회로에 충전되어 전압의 첨두치를 억제하기 위한 실시예를 도시한 것으로서,
(가)는 도1의 (나)에 도시된 회로에 인덕터를 추가한 것이고,
(나)는 도2의 (라)에 도시된 회로에 인덕터를 추가한 것이고,
도4는 도1의 (가)에 도시된 컨버터의 각 동작단계에 따른 등가회로를 도시한 것이고,
도5는 도1의 (가)에 도시된 컨버터의 각 동작단계에 따라서 발생하는 전류 및 전압파형을 주요부분만을 발췌하여 도시한 것이고,
도6은 종래의 영전압/영전류 스위칭의 풀 브릿지 DC/DC 컨버터를 도시한 것이고,
도7은 영전압/영전류 스위칭이 아닌 하드 스위칭(Hard Switching)시의 전류 및 전압파형을 도시한 것이고,
도8은 영전압/영전류 스위칭시의 전류 및 전압파형을 도시한 것으로서,
(가)는 영전압 스위칭시의 전류 및 전압파형이고,
(나)는 영전류 스위칭시의 전류 및 전압파형이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 종래의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로
100,100',100'1,101,102,103,1041: 본 발명에 따른 회로의 실시예
BD10 : 풀 브릿지 정류기C1, C3 : 스너버 캐패시터
C100, C101 : 캐패시터
D1,D2,D3,D4 : 정류기(BD10)를 구성하는 다이오드
D100 : 방전 다이오드D101 : 충전 다이오드
DS1,DS2,DS3,DS4 : 다이오드IC: 캐패시터(C100)를 흐르는 전류
IO: 부하전류ISW: 스위치를 흐르는 전류
IP: 1 차측 전류 L100 : 코일
LO, CO: 출력필터LlK: 누설인덕턴스
RO: 부하
S1,S2,S3,S4 : 풀 브릿지를 구성하는 스위치
SR : 포화 리액터 T : 변압기
VC: 캐패시터(C100) 양단전압 VGS: 스위치 제어전압
VSW: 스위치 양단전압Vab: 1 차측 전압
Vrec: 2 차측 전압
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 출력전류의 리플 저감이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로는, 평활용 인덕터를 출력단에 포함하는 풀 브릿지 DC/DC 컨버터에 있어서, 상기 인덕터의 2차 권선; 상기 인덕터의 2차 권선과 연결되어 폐회로를 구성하는 수동 용량성 소자;와 제2정류소자; 및 상기 폐회로의 세 연결점중 하나에서 2차측의 정류기 출력단자의 일단으로 연결되는 제1정류소자;를 포함하여 구성되되, 상기 제1정류소자는 상기 2차측의 정류기의 전류유출단으로 전류가 흐를 수 있도록 배치되고, 상기 폐회로의 연결점중 상기 제1정류소자와 연결되지 않는 두 연결점중 하나가 2차측의 정류기 출력단중 상기 제1정류소자가 연결되지 않은 타단에 연결되고, 상기 제2정류소자가 상기 제1수동 용량성소자의 방전경로상에 배치되지 않으면서 상기 평활용 인덕터를 흐르는 전류에 의해 상기 2차권선에 유도되는 전류가 상기 폐회로를 흘러 상기 제1수동 용량성소자의 양단중 2차측의 정류기 출력단쪽의 단자가 양전위로 충전될 수 있도록 상기 인덕터의 2차권선, 제1수동 용량성소자 그리고 제2정류소자가 배치되는 것에 특징이 있는 것이며, 본 발명에 따른 출력전류의 리플 저감이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로는, 리플전류가 흐를 수 있는 경로를 제공하는 제2수동 용량성소자;를 더 포함하여 구성되는 것에 특징이 있는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 출력전류의 리플 저감이 가능한 풀 브릿지 DC/DC컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로는, 평활용 인덕터와 캐패시터를 출력단에 포함하는 풀 브릿지 DC/DC 컨버터에 있어서, 수동 용량성소자; 제1정류소자; 및 제2정류소자;를 포함하여 구성되되, 상기 수동 용량성소자, 제1정류소자 그리고 제2정류소자는 Y-결선을 이루고, 상기 수동 용량성소자는 2차측의 정류기의 전류 유출단자에 연결되고, 상기 제2정류소자는 상기 평활용 캐패시터에 연결되어 상기 용량성소자에 충전되는 전류가 부하쪽으로 흐르게 하고 상기 제1정류소자는 접지에 연결되어 상기 수동 용량성소자가 방전하는 전류가 상기 인덕터를 흐르도록 하는 것에 특징이 있는 것이며, 본 발명에 따른 출력전류의 리플 저감이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로는, 용량성소자를 충전하는 전류의 경로에 위치함과 동시에 방전되는 전류의 경로상에는 위치하지 않는 수동 유동성소자;를 더 포함하여 구성되는 것에 특징이 있는 것이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 출력전류의 리플 저감이 가능한 풀브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로가 2차측에 설치되면 풀 브릿지 DC/DC 컨버터에서는 다음과 같이 영전압과 영전류의 스위칭이 이루어지게 된다.
플 브릿지를 구성하는 진상(進相) 레그(leading leg)상의 스위치와 지상(遲相) 레그(lagging leg)상의 스위치는 게이트에 인가되는 개폐용 제어전압의 위상에 따라 상호 교번적으로 턴온 및 턴오프되는 데, 진상레그상의 스위치가 영전압 스위칭되는 과정은 종래의 구성에서와 동일하다. 즉, 스위치가 턴오프될 때는 병렬로 연결된 스너버 캐패시터에 의해 스위칭손실을 감소시키게 되고, 스위치의 턴온은, 상기 제1 수동 용량성소자에 충전된 전압과 스위치에 병렬로 연결된 스너버 캐패시터에 충전된 전압이 동일레그상의 다른 스위치의 차단으로 인해 부하에 대신 전류를 공급함으로써 감소하게 되고 그에 따라 스위치 양단전압이 영이 되면서 역방향의 다이오드가 턴온되게 되는데 이 때, 즉 영전압 상태에서 이루어짐으로써 스위칭손실이 완전히 제거 된다. 지상레그의 스위치가 영전류 스위칭이 되는 과정은 상기와는 다른 방식으로 이루어지게 되는 데, 상기 제1 수동 용량성 소자는 부하에 전류를 공급하는 파워링모드(powering mode)동안에 출력평활용 인덕터에 흐르는 전류로부터 유도되는 상기 폐회로를 흐르는 전류에 의해 충전된 전압을, 전원으로부터 공급되는 전력이 일시중단되는 환류모드가 시작되면서 상기 제 1 정류소자를 통해 방전하기 시작하면서 2차측에 양의 전압을 일정시간 동안 가해주게 된다. 2차측에 가해진 상기 전압은 변압기를 통해 1차측 누설 인덕턴스에 전류가 흐르는 방향의 역으로 인가됨으로써 1차측에 흐르던 전류를 급격하게 감소시키게 된다. 1차측에 흐르던 전류가 급격히 감소하여 영에 이르게 되면 지상레그상의 해당스위치는 영전류에서의 턴오프가 이루어지게 되는 것이다.
한편, 상기 평활용 인덕터의 1차권선과 2차권선의 권선비를 갖도록 하고, 상기 제2 수동 용량성소자가 2차권선에 흐르는 리플전류에 대한 경로를 형성하게 되면, 리플전류는 상기 제 1차권선과 2차권선의 누설 인덕턴스의 성분의 반비례하여 흐르게 되는 데, 2차측의 누설 인덕턴스를 1차에 비해 작도록 권선을 감으면, 리플 전류는 대부분에 2차측 권선을 흐르게 되고 출력평활용 인덕터에는 리플 전류가 흐르지 않게 되는 것이다.
이하, 본 발명에 따른 출력전류의 리플 저감이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로의 일 실시예의 구성 및 작용에 대해, 상기 회로가 결합된 첨부된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도1의 (가)는 본 발명에 따른 출력전류의 리플 저감이 가능한 풀 브릿지 DC/DC컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로의 일 실시예가 구현된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터를 도시한 것으로서, 풀 브릿지의 스위치(S1,S2,S3,S4)의 개폐 동작에 따라 1 차측의 전류와 전압을 2 차측에 유도하는 변압기(T); 2 차측에서 전류를 일방향으로 흐르도록 하는 풀 브릿지 정류기(BD10); 2차측에 인가된 출력평활용 필터(LO,CO) 및 부하(RO);와 본 발명에 따른 구성요소로서 상기 풀 브릿지 정류기(BD10)의 출력단사이에 직렬로 연결되는 캐패시터(C100);와 방전 다이오드(D100); 상기 캐패시터(C100)와는 병렬로 연결되되, 각 소자는 직렬로 연결된 출력활용 인덕터(LO)의 2 차권선(LO2);과 충전 다이오드(D101);를 포함하여 구성되어 있다.
도5는 상기와 같이 구성된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터가 동작하는 과정에서 발생하는 신호의 파형을 주요부분만을 도시한 것인데, 이 신호의 파형은 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 동작을 몇단계로 구분할 수 있음을 보여준다.
도4는 도5의 신호파형에 따른 구분된 동작모드에서의 DC/DC 컨버터의 등가회로를 도시한 것이다.
상기와 같이 구성된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 동작설명의 편의를 위해 출력필터의 인덕터(LO)는 충분히 커서 스위칭 한주기동안 부하전류(IO)는 일정하다고 가정하고, 또한 상기 수동 캐패시터(C100)에 전압이 충전되더라도 충전된 전압은 상기 풀 브릿지 정류기(BD10)의 출력단 전압보다 높지 않도록 상기 평활용 인덕터(LO)의 2차권선(LO2)의 권선비를 설정한다.
이하에서는, 상기와 같이 구성된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터에서, 영전압 및 영전류 스위칭이 이루어지는 과정을 도5의 각 구분된 동작모드에 따른 파형을 참조하여 단계별로 상세히 설명한다.
모드1(M1)
1차측의 스위치(S1,S2)가 도통하여 입력단으로 출력단으로 전력이 전달되는 단계로서, 이 모드를 '파워링모드'라 한다. 상기 캐패시터(C100)는 초기전압이 0인 상태에서 상기 인덕터(LO)의 2차권선(L2)에 유도된 전압에 의해 상기 충전 다이오드(D101)를 통해 도5와 같이 충전하기 시작한다. 상기 캐패시터(C100)에 충전되는 전압은 상기 풀 브릿지 정류기(BD10)의 출력전압에서 DC/DC 컨버터의 출력전압의 차, 즉 상기 평활용 인덕터(LO)의 양단전압의 권선비에 비례하는 전압으로 충전된다. 한편, DC/DC 컨버터의 1차측의 전류(IP)는 충전 초기에는, 일정하게 유지되는 출력전류(IO)외에 상기 캐패시터(C100)에 충전되는 전류성분(IC)을 보충하기 위한 정류성분(nIC)이 더 흐르게 되어 약간의 오버슈트(overshoot)가 형성된다.
모드2(M2)
상기 캐패시터(C100)에 충전된 전압은 2차측의 상기 풀 브릿지 정류기(BD10)의 출력전압보다 낮으므로 상기 방전 다이오드(D100)에는 역방향의 전압이 인가되어 도통하지 않는다. 따라서, 상기 캐패시터(C100)의 방전루프가 형성되어 있지 않으므로 외부요인에 의한 방전루프가 형성될 때까지 상기 충전된 전압을 유지하게 되는 데, 이 구간은 파워링이모드가 끝날 때까지 계속된다.
모드3(M3)
정해진 시비율(duty cycle)에 의해 상기 스위치(S1)가 개방되면 일정하게 흐르는 부하전류에 의해 스너버 캐패시터(C1)는 충전하기 시작하고 스너버 캐패시터(C3)는 방전하기 시작한다. 부하전류가 일정하게 흐르기 때문에 스너버 캐패시터(C1)의 전압은 선형적으로 증가하며, 따라서 상기 변압기(T)의 1차측 전압(Vab)은 선형적으로 감소한다. 종래의 영전압 스위칭에서와 같이 스너버 캐패시터(C1)의 값을 충분히 크게 하여 상기 턴오프되는 구간내에서의 스위치(S1) 양단전압을 영에 가깝게 유지시켜(도8의 (가)참조) 스위칭손실이 거의 발생하지 않도록 할 수 있다. 이때, 2차측의 전압(Vrec)은 1차측의 전압(Vab)이 감소하는 비율과 같은 비율로 감소하게 되는 데, 이 전압감소는 2차측의 전압이, M2 단계에서 상기 캐패시터(C100)에 충전되어 유지되고 있는 전압과 같아질 때까지 진행된다.
모드4(M4)
상기 변압기(T)의 2차측의 전압(Vrec)이 감소되는 도중 상기 캐패시터(C100)에 충전된 전압과 같아지게 되면 상기 방전 다이오드(D100)가 도통하게 되고, 따라서 상기 캐패시터(C100)에 충전되어 있던 전압이 상기 방전 다이오드(D100)를 통해 매우 느린 속도로 방전하게 되면서, 2차측의 전압(Vrec)은 상기 캐패시터(C100)의 양단전압이 된다. 한편, 1차측의 스너버 캐패시터(C3)에서 방전되는 전압은 1차측의 누설인덕턴스에 흐르고 있던 전류에 의해서 계속해서 빠른 속도로 방전하게 되고, 따라서 1차측으로 전압(Vab)은 2차측이 상기 캐패시터(C100)에서 서서히 방전되고 있는 전압이 1차측으로 넘어온 전압보다 낮아지게 된다. 이와같이, 2차측 전압(Vrec)의 1차측으로 넘어온 전압이 1차측 전압(Vab)보다 큰 전압차 부분은 1차측의 누설인덕턴스에 흐르는 전류(IP)에 역방향으로 인가되어 1차측의 전류를 급격하게 감소시키게 된다.
출력필터를 인덕터(LO)를 통해 흐르는 전류가 일정하기 때문에, 1차측에서 감소하는 전류의 양만큼 2차측의 상기 캐패시터(C100)에서 상기 방전 다이오드(D100)를 통해 방전되면서 전류가 보충공급되고, 이에 따라 상기 캐패시터(C100)의 전압은 M3 단계에서 보다는 빠른 속도로 감소하기 시작하며, 1차측의 스너버 캐패시터(C3)의 전압이 완전히 영이 될 때까지 상기 과정이 진행된다.
모드5(M5)
감소하던 스너버 캐패시터(C3)의 전압이 완전히 방전하여 영이 되면, 스위치(S3)에 역방향으로 연결된 다이오드(DS3)가 도통하게 되고, 따라서 스위치(S3)의 양단전압은 영이 되며 영전압 스위칭이 이루어지게 된다. 한편, 스너퍼 캐패시터(C3)의 전압이 영이 되어 1차측의 a-b간의 전압이 영이 되면, 1차측으로 환산된 상기 캐패시터(C100)의 전압이 1차측의 누설 인덕턴스(Llk)에 전부 역으로 걸려서 1차측을 흐르는 전류(IP)는 급격하게 감소한다. 1차측 전류가 급격히 감소하는 만큼 상기 캐패시터(C100)로부터 상기 반전 다이오드(D100)를 통해 공급되는 전류가 많아지게 되고, 그에 따라 상기 캐패시터(C100)의 전압도 더 빠른 속도로 줄어들게 된다. 이 단계는, 1차측에 흐르는 전류(IP)가 2차측에서 1차측으로 넘어와 역방향으로 인가되는 전압에 의해 빠른 속도로 계속해서 감소하여 영이 될 때까지 진행한다.
모드6(M6)
1차측의 전류(IP)가 영이 되었으므로 스위치(S2)는 영전류에서 턴오프할 수 있는 상태가 된다. 이 때는 1차측에서 공급되는 전류가 없으므로 2차측의 상기 캐패시터(C100)가 전 부하전류를 공급하게 되고, 그에 따라 상기 캐패시터(C100)의 전압은 급격히 줄어들게 되고, 상기 캐패시터(C100)의 전압이 완전히 방전하여 영이 되면 이 모드가 종료된다.
모드7(M7)
2차측의 상기 캐패시터(C100)의 전압이 완전히 방전되면, 부하전류(IO)는 2차측의 상기 풀 브릿지 정류기(BD10)를 통해 환류(D2-D4,D3-D1)하게 되고 공급되는 전류가 없는 1차측의 전류는 영으로 유지된다. 1차측에 전류가 흐르지 않기 시작한 이후로 스위치(S2) 내부의 소수 캐리어가 완전히 없어지게 되는 환류모드의 끝 부분에서 스위치(S2)를 영전류로 턴오프하게 된다.
모드8(M8)
1차측에 전류경로가 형성되지 않는 일정한 데드타임(dead time)후에 스위치(S4)가 턴온된다. 스위치(S4)의 턴온과정도, 1차측의 누설 인덕턴스 때문에 전류가 급격하게 변하지 못하고 다이오드(DS4)의 역회복동작이 없기 때문이 영전류의 상태에서 이루어지게 된다.
스위치(S4)가 턴온되는 순간 2차측의 상기 풀 브릿지 정류기(BD10)의 전압(Vrec)은 영이고, 1차측의 스위치(S4,S3)를 통해 입력전압(VS)이 누설 인덕턴스(Llk)에 모두 가해지기 되므로 1차측 전류(IP)는 선형적으로 급격히 증가하게 되며 이로 인해 2차측에 유도된 전류가 상기 풀 브릿지 정류기(BD10)를 통해 부하쪽으로 공급되게 된다. 2차측의 전류가 부하전류(IO)만큼 증가될 때까지 2차측 전압(Vrec)은 계속 영으로 유지된다.
본 발명에 따른 출력전류의 리플 저감이 가능한 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로가 설치된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 일 실시예는 지금까지 설명한 동작단계에 따라, 진상레그의 스위치(S1,S3)는 영전압 스위칭이 이루어지게 되고 (M3:턴오프, M5:턴온) 지상레그의 스위치(S2,S4)는 영전류 스위칭이 이루어지게 된다.(M8:S2 턴오프, S4 턴온)
도1의 (나)는 도1의 (가)의 실시예에 출력전류의 리플(ripple)을 제거하기 위한 제2 캐패시터(C101)를 상기 충전 다이오드(D101)의 출력쪽과 접지사이에 추가로 연결된 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로가 설치된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터로서, 이 실시예의 리플전류 제거는 다음과 같이 원리에 의해 이루어지게 된다.
전류의 교류성분, 즉 리플성분에 대하여만 상기 출력필터용 인덕터(LO)가 변압기로 작용하므로 출력전류의 직류성분은 어떠한 영향도 받지 않는다. 상기 인덕터(LO)의 1차권선과 2차권선이 정확히 1:1의 권선비를 가지고 결합계수가 이상적으로 1이라고 한다면, 1차권선과 2차권선에 흐르는 리플전류는 자기적 결합에 의해 정확히 반으로 양분되며, 이 때, 상기 제2 캐패시터(C101)는 2차권선의 리플전류의 경로는 제공한다. 그러나, 1차권선과 2차권선은 실제 이상적으로 결합되지 않으므로 결합계수는 1이 되지 않고 1차권선과 2차권선은 누설 인덕턴스를 갖게 되며, 누설 인덕턴스의 값 또한 각각 차이가 난다. 따라서, 각각의 누설 인덕턴스에 인가된 전압은 서로 동일하므로 각 권선에 흐르는 리플전류는 각 권선의 누설 인덕턴스에 반비례하여 흐르게 되는 데, 2차권선의 누설 인덕턴스가 2차의 것에 비해 작도록 권선을 감게 되며, 리플전류는 대부분 2차권선을 흐르게 되고, 1차권선에는 리플 전류가 거의 흐르지 않게 된다. 따라서, 1차 권선을 통하여 출력측으로 흐르는 리플전류의 성분이, 상기 제2 캐패시터(C101)의 리플전류의 경로 제공과 인덕터(LO)의 적절한 권취에 의해서 효과적으로 감소하게 된다.
도2는 본 발명에 따른 출력전류의 리플 저감이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로의 다양한 실시예가 적용된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터를 도시한 것으로서, (가), (나) 그리고 (다)에 도시된 회로는, 본 발명을 구성하는 평활용 인덕터(LO)의 2차권선(LO2); 수동 용량성소자(C100); 제1정류소자(D100); 및 제2정류소자(D101);가 DC/DC 컨버터의 2차측에 다양한 방법으로 연결 가능함을 보여준다. 도2의 (라)는 영전압/영전류 스위칭을 위해 사용되는 소자의 수를 더욱 줄이기 위해 단지 수동 용량성소자(C100); 방전 다이오드(D100); 및 충전 다이오드(D101); 만을 포함하여 구성되어 있다.
상기와 같이 구성되는 각각의 실시예는 영전압/영전류 스위칭을 위해 구성되는 소자의 연결방식만이 상이할 뿐 그 동작은 도1 (가)의 실시예의 동작과 모두 동일한 단계에 따라 이루어지게 된다. 다만, 도2의 (라)에 도시된 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로에서는, 도2의 (가), (나), (다)에서와 달리 상기 캐패시터(C100)에 전압을 충전시키는 전류원(電流原)이 평활용 인덕터(LO)에서 유도되는 전류가 아니고, 2차측의 정류기(BD10)에서 직접 공급되는 전류가 되며, 출력필터(LO, CO)에 직접 연결된 충전 다이오드(D101)는 상기 캐패시터(C100)에 전압이 충전되는 경로를 제공하게 된다.
도3은 본 발명에 따른 회로내의 상기 캐패시터(C100)에 충전되는 전압의 첨두치를 제한하기 위한 코일(L100)이 더 포함된 실시예를 도시한 것으로서, (가)는 도1 (나)의 회로에 상기 코일(L100)을 추가한 것이고, (나)는 도2 (라)의 회로에 상기 코일(L100)을 추가한 것이다. 상기 코일(L100)은 파워링모드(모드1(M1))에서 상기 캐패시터(C100)에 충전되는 전압의 피크(peak)값을 제한함으로써, 상기 캐패시터(C100)에 전압 스트레스를 주지않도록 하는 데, 상기 코일(L100)은 상기 캐패시터(C100)에 전압이 충전되는 경로상에 위치하면서, 동시에 상기 캐패시터(C100)가 방전할 때 전류가 흐르는 경로상에는 위치하지 않도록 설치되면 설치된 위치에 상관없이 동일한 기능을 수행하게 된다. 즉, 도3의 (가)에서는 충전 다이오드(D101), 평활 인덕터의 2차권선(LO2)으로 이루어지는 지로(支路)내의 어디에 삽입되어도 무방하며, 도3의 (나)에서는, 충전 다이오드(D101)와 직렬로 연결되면 된다.
상기와 같이 구성되어 작용하는 본 발명에 따른 출력전류의 리플 저감이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로는 포화 리액터와 같은 손실성 부품이나 능동소자와 같은 고가의 부품을 포함하지 않으며 또한 회로가 매우 간단하기 때문에 영전압/영전류 스위칭의 풀 브릿지 DC/DC 컨버터를 보다 저원가로 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 수동 용량성 소자만을 추가하여 출력필터의 인덕터를 흐르는 전류의 리플도 현격하게 줄일 수 있어 고전력 밀도화가 가능하며, 또한 대용량화가 용이해서 대용량 고주파 스위칭의 DC/DC 컨버터 분야에서도 널리 이용될 수가 있으며, 상기와 같이 구성되어 작용하는 본 발명에 따른 출력전류의 리플 저감이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로가 설치된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터에서는, 동작중에 2차측 정류기의 전압이 높은 피크치를 갖는 경우가 발생하지 않으므로 낮은 전압정격의 정류 다이오드를 사용할 수 있는 매우 경제적이고 유용한 발명인 것이다.

Claims (5)

  1. 평활용 인덕터를 출력단에 포함하는 풀 브릿지 DC/DC 컨버터에 있어서,
    상기 인덕터의 2 차 권선;
    상기 인덕터의 2 차 권선과 연결되어 폐회로를 구성하는 제 1 수동 용량성 소자;와 제2정류소자; 및
    상기 폐회로의 세 연결점중 하나에서 2 차측의 정류기 출력단자의 일단으로 연결되는 제1정류소자;를 포함하여 구성되되,
    상기 제1정류소자는 상기 2차측의 정류기의 출력단으로 전류가 흐를 수 있도록 배치되고,
    상기 폐회로의 연결점중 상기 제1정류소자와 연결되지 않는 두 연결점중 하나가 2차측의 정류기 출력단중 상기 제1정류소자가 연결되지 않은 타단에 연결되고, 상기 제2정류소자가 상기 제1 수동 용량성소자의 방전경로상에 배치되지 않으면서 상기 평활용 인덕터를 흐르는 전류에 의해 상기 2차권선에 유도되는 전류가 상기 폐회로를 흘러 상기 제1 수동 용량성소자의 양단중 2차측의 정류기 출력단쪽의 단자가 양전위로 충전될 수 있도록 상기 인덕터의 2차권선, 제1 수동 용량성소자 그리고 제2정류소자가 배치되는 것을 특징으로 하는 출력 전류의 리플 저감(低減)이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    제2 수동 용량성소자;를 더 포함하여 구성되되,
    상기 세 연결점중 하나는 상기 제2정류소자와 제1 수동 용량성소자의 연결점이고, 상기 출력단자의 일단은 2차측 정류기로 전류가 유입되는 단자이고, 상기 두 연결점중 하나는 상기 인덕터의 2차권선과 수동 용량성소자의 연결점이고, 상기 제2 수동 용량성소자는 상기 세 연결점중 나머지 하나와 접지사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 출력전류의 리플 저감이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로.
  3. 제1항 또는 제2항중에 있어서,
    상기 폐회로 내의 임의의 소자와 직렬로 연결되어 폐로를 구성하되 상기 제1 수동 용량성소자의 방전경로상에 위치하지 않는 수동 유도성소자;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 출력전류의 리플 저감이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로.
  4. 평활용 인덕터와 캐패시터를 출력단에 포함하는 풀 브릿지 DC/DC 컨버터에 있어서,
    수동 용량성소자; 제1정류소자; 및 제2정류소자;를 포함하여 구성되되,
    상기 수동 용량성소자, 제1정류소자 그리고 제2정류소자는 Y-결선을 이루고,
    상기 용량성소자는 2차측의 정류기의 전류 유출단자에 연결되고,
    상기 제2정류소자는 상기 평활용 캐패시터에 연결되어 상기 수동 용량성 소자에 충전되는 전류가 부하쪽으로 흐르게 하고,
    상기 제1정류소자는 접지에 연결되어 상기 수동 용량성소자가 방전하는 전류가 상기 인덕터를 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 출력전류의 리플 저감이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    유도성소자;를 더 포함하여 구성되되,
    상기 유도성소자는 제2정류소자와 직렬로 삽입.연결되는 것을 특징으로 하는 출력전류의 리플 저감이 가능한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로.
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