KR19980065882A - Dc/dc 컨버터의 소프트 스위칭을 위한 무손실 스너버회로와 입력역률 개선회로 - Google Patents

Dc/dc 컨버터의 소프트 스위칭을 위한 무손실 스너버회로와 입력역률 개선회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 종래의 단일 또는 2 스위치방식의 컨버터에 있어서, DC/DC 컨버터내의 스위칭소자를 소프트 스위칭시키는 무손실 스너버 회로 및 이 회로가 적용된 DC/DC 컨버터의 입력역률 개선회로에 관한 것으로서, 종래의 2스위치 방식 포워드 DC/DC 컨버터의 구성요소에 더하여, 제1스위치(S1)의 양단간에 직렬로 연결되어 있는 제 1 스너버 커패시터(C20), 제1 스너버 다이오드(D21) 및 스너버 인덕터(L20), 그리고 상기 제1 스너버 커패시터(C20)와 상기 제1 스너버 다이오드(D21)의 접점에서 상기 제2스위치(S2)로 연결된 전류(電流) 다이오드(D20)로 구성되는 1차측 스너버회로(200); 변압기(Tr)의 2차측 양단에 직렬로 연결되어 있는 제2 스너버 커패시터(C10) 및 제2 스너버 다이오드(D11) 그리고 상기 제2 스너버 커패시터(C10)와 상기 제2 스너버 다이오드(D11)의 접점에서 평활용 인덕터(Lf)의 후단으로 연결된 제3 스너버 다이오드(D10)로 구성되는 2차측 스너버회로(100); 입력되는 교류전력을 여파시키는 교류여파기(310), 상기 여파된 교류전력을 정류시켜 출력하는 브릿지 다이오드(320), 상기 브릿지 다이오드(320)에서 환류 다이오드(D1)와 제1 스위치(S1)의 접점으로 연결된 승압용 인덕터(L330)로 구성되는 입력역률 개선회로(300);를 더 포함하여 구성되어, 스위칭손실을 제거하고 기생진동을 제거하여 전자파 발생을 감소시키며, 입력전류의 파형왜곡에 따른 고조파장해를 제거하고 전력의 송전효율을 높일 수 있는 매우 우수한 발명이다.

Description

DC/DC 컨버터의 소프트 스위칭을 위한 무손실 스너버회로와 입력역률 개선회로
본 발명은 DC/DC 컨버터의 소프트 스위칭을 위한 무손실 스너버회로 및 이 회로가 적용된 DC/DC 컨버터의 입력역률 개선회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단일 또는 2 스위치방식의 컨버터에 있어서, 스위치의 턴온(Turn-On) 또는 턴오프(Turn-Off)시 발생되는 스위칭 손실 및 출력 다이오드의 역회복 특성에 따른 손실을 제거하기 위해, 무손실 스너버를 사용하여 DC/DC 컨버터내의 스위칭 소자를 소프트 스위칭시키는 것은 물론, 출력 정류다이오드도 소프트 스위칭이 되도록 함으로써, 다이오드의 역회복 손실 및 기생진동에 따른 EMI(Electro Magnetic Interference)를 줄일 수 있는 DC/DC 컨버터 - 특히 포워드(Forward) DC/DC 컨버터-의 소프트 스위칭을 위한 무손실 스너버 회로와, 상용의 교류전력을 입력전력으로 사용하는 컨버터에 있어서, 승압인덕터를 이용한 저가의 간단한 회로로서 입력전력의 역률을 개선하여 전력의 효율적인 사용과 송전효율을 높일 수 있는 DC/DC 컨버터의 입력역률 개선회로에 관한 것이다.
도1은 하드스위칭(Hard-Switching)에 의해 DC/DC 컨버터 기능을 수행하는 종래의 2 스위치 방식의 포워드 컨버터의 기본 구성회로를 도시한 것으로서, 단속적으로 인가되는 전력을 2차측으로 유도하는 고주파 변압기(Tr); 공급되는 직류전원을 단속적으로 상기 변압기(Tr)의 1차측에 인가하는 제1 및 제2스위치(S1,S2); 상기 제1스위치(S1)와 전원사이에 역방향으로 연결된 환류(freewheeling)다이오드(D1); 상기 제2스위치(S2)와 접지사이에 역방향으로 연결된 환류 다이오드(D2); 상기 변압기(Tr)의 2차측에 유도된 전류를 정류하는 출력정류 다이오드(D3,D4); 및 출력전류를 평활시키는 출력필터(LfCO);의 주요 구성요소를 포함하여 구성되어 있다.
도2는 상기와 같이 구성된 하드스위칭의 2스위치 방식 포워드 DC/DC 컨버터의 기본동작 파형도를 도시한 것으로서, 상기 파형도를 참고하여 도1의 포워드 컨버터의 기본동작을 설명한다.
먼저, 상기 제1 및 제2 스위치(S1,S2)가 t1시점에서 동시에 턴온되면, 직류입력전압 Vin이 상기 고주파 변압기(Tr)의 1차권선(권선수:N1)에 인가되고, 이로인해 2차권선(권선수:N2)에는 (N2/N1)Vin의 전압이 발생하게 된다. 2차권선에 발생된 전압은 상기 출력정류 다이오드(D3또는 D4)를 통해서 정류되고 상기 출력필터(Lf, CO)에 의해 평활되어 부하에 공급되게 된다.
상기와 같이 부하에 전력이 공급되고 있는 동안, t2시점이 되면 상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)가 턴오프되고, 상기 고주파 변압기(Tr)의 누설 인덕턴스 및 여자 에너지는 상기 환류 다이오드(D1, D2)를 통하여 입력 직류전원 Vin으로 환류하게 된다. 이 때, 상기 고주파 변압기(Tr)의 1차권선의 전압은 상기 환류 다이오드(D1, D2)에 의해 입력 직류전압 Vin으로 클램프(clamp)되므로 상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)의 양단에 걸리는 전압도 역시 Vin으로 된다.
그러나, 상기와 같이 동작하는 DC/DC 컨버터에 있어서는, 상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)내의 기생 커패시턴스(Cp) 및 배선 인덕턴스에 의해 상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)가 턴오프하는 t2시점에 높은 임피던스를 나타내고 이로 인해 상기 제1 및 제2스위치(S1, S2)가 턴오프하는 t2시점에 상기 스위치(S1, S2)의 임피던스가 급격하게 변하게 되어 도 2의 VS1그래프에서 보는 바와 같은 스위칭에 따른 서지(surge)전압이 발생하게 된다. 이와 같은 발생되는 서지전압은, 상기 스위치(S1, S2)에 높은 전압 스트레스를 부과하게 되어 상기 스위치(S1, S2)의 수명을 단축시키며, 또한 상기 스위치(S1, S2)의 턴오프 후에 잠시동안 흐르는 꼬리전류에 의해 스위칭 전력손실을 야기시키게 된다.
그리고, 상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)가 턴오프되는 t2시점에 상기 출력정류 다이오드(D3)에는 급격하게 역방향 전압이 인가됨으로써, 상기 고주파 변압기(Tr)와 상기 출력정류 다이오드(D3)의 기생 커패시턴스(Cp)에 의해 기생진동과 서지전압이 발생하게 되어 상기 출력정류 다이오드(D3)에 심한 전압 스트레스가 가해지고 이로 인해 상기 출력정류 다이오드(D3)가 파괴될 수도 있을 뿐만 아니라, 출력되는 DC 전압에 스위칭 노이즈(noise)를 발생시켜 출력전력의 품질을 저하시키게 되며, 이와 같은 현상은 상기 제1 및 제2스위치(S1, S2)가 턴온되는 t1시점에 급격하게 역방향 전압이 인가되는 상기 출력정류 다이오드(D4)에도 동일하게 발생하게 된다.
상기와 같은 스위칭에 따른 서지전압과 기생진동의 발생을 억제하기 위해 상기 고주파 변압기(Tr)의 1차측 주 스위칭부(S1, S2및 D1, D2)와 2차측의 상기 출력정류 다이오드(D3, D4)에 저항-커패시터(RC) 또는 저항-커패시터-다이오드(RCD)로 구성되는 스너버회로를 적용하는 방법이 제안되었으나, 이러한 방법은 상기 스위치(S1, S2)의 턴온, 턴오프시에 각 스너버 커패시터에 축적된 에너지가 스너버 저항을 통해서 방전하여 소모되기 때문에, 스위칭 주파수가 높을수록, 그리고 입력전압이 높을수록 큰 스위칭 손실이 발생하게 되어 컨버터의 효율을 저하시키는 문제점은 여전히 내포하고 있다.
그리고, 도3과 같은 회로 구성을 갖는 단일 스위치 포워드 DC/DC 컨버터에 있어서도, 스위치(S1)과 다이오드(D1, D3, D4)의 기생 커패시턴스(Cp) 및 배선 인덕턴스 그리고 고주파 변압기(Tr)의 누설 인덕턴스로 인해, 상기 스위치(S1)의 턴온 및 턴오프시에 상기 스위칭소자들(S1, D1, D3, D4)의 양단에 급격한 전압변화가 인가되면 상기 스위치(S1) 및 상기 다이오드(D1, D3, D4)에 서지전압 및 스위칭손실이 발생하는 문제점이 있었다.
또한, 종래에는 교류입력을 직접 전력원으로 사용하는 DC/DC 컨버터의 경우에 도4에서 보는 바와 같이, 교류입력에 다이오드 정류기(30)만을 사용하여 입력커패시터(Cin)에 에너지를 충전시켜 직류전원으로 사용하였다.
그러나, 상기와 같은 방법에 의해 직류전원을 생성하여 사용하는 경우에는, 교류 입력전압 Vac가 상기 입력 커패시터(Cin)의 전압 Vin보다 더 클 때에만 교류의 입력전류 Iac가 상기 커패시터(Cin)로 전달되기 때문에, 도5에서 보는 바와 같이, 입력되는 교류전류 파형이 펄스형태의 왜형된 파형으로 나타나게 되는 데, 이와 같이 왜형된 파형내의 고조파 전류는 다른 전원기기 및 전원에 고조파 장해를 일으키게 된다. 이에 따라 IEC-555와 여러 국가들의 전원장치 규격들은 전원장치의 입력전원 전류의 고조파 성분을 특정 규정된 레벨 아래로 제한 할것을 요구하고 있는 실정이다. 이러한 규격을 만족시키기 위해서 DC/DC 컨버터의 전단에 설치되는 역률 보정회로(PFC:Power Factor Correction Circuit)를 스위칭 전원장치에 부가하는 방법이 제안되어 현재 일반적으로 사용되고 있다.
그러나, 상기와 같은 방법은 그 전기적인 특성은 좋으나, 역률 보정회로의 추가로 인해 전원장치의 크기와 비용이 크게 상승하는 문제점을 내포하고 있다. 이러한 문제점을 해소하기 위해 그 크기를 수용할 수 있는 범위내로 축소시키고 비용을 저감시키는 노력이 진행되고 있으며, 이에 따라 역률 보정회로와 절연된 DC/DC 변환을 단일의 파워 스테이지(Power Stage)로 집적화하기 위한 시도가 이루어지고 있기는 하지만, 스위칭 소자(트랜지스터, 다이오드 등)의 턴온 및 턴오프시, 고주파 변압기의 누설 인덕턴스와 스위칭 소자의 기생 커패시턴스와의 기생진동 및 서지전압에 따른 스위칭 손실 증가와 같은 결점들로 인해 현재 그 집적화 시도는 별다른 효과를 거두지 못하고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 포워드 DC/DC 컨버터의 2차측 정류소자의 소프트 스위칭을 가능하게 하면서 전력을 소모하지 않는 무손실 스너버회로를 제공하는 데 그 목적이 있는 것이다.
또한 본 발명의 목적은, 단일 또는 2 스위치방식 DC/DC 컨버터의 1차측 스위칭소자의 소프트 스위칭을 가능하게 하면서 전력을 소모하지 않는 무손실 스너버회로를 제공하는 데 있는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 교류전력을 직접 전원으로 사용하는 DC/DC 컨버터에 있어서, 입력되는 교류전력의 파형왜곡을 억제하여 교류입력의 역률을 개선하는 입력역률 개선회로를 제공하는 데 있는 것이며,
본 발명의 다른 목적은, 단일 스위치방식 DC/DC 컨버터에 적용할 수 있는 입력역률 개선회로를 제공하는 데 있는 것이다.
도1은 종래의 하드 스위칭(Hard-Switching)의 2스위치 방식 포워드(Forward)직류/직류(DC/DC) 컨버터의 회로도이고,
도2는 종래의 하드 스위칭의 2 스위치 방식 포워드 DC/DC 컨버터의 각 부분의 동작파형도이고,
도3은 종래의 하드 스위칭의 단일 스위치 방식 포워드 DC/DC 컨버터의 회로도이고,
도4는 다이오드 정류부만을 사용하여 교류의 입력전력을 사용하는 종래의 2 스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터의 회로도이고,
도5는 도4의 포워드 DC/DC 컨버터의 입력전력 사용에 따른 입력전압 및 전류, 그리고 입력 커패시터 전압의 동작파형도이고,
도6은 본 발명에 따른 무손실 스너버회로가 2스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터의 1차측과 2차측에 모두 적용된 회로도이고,
도7은 도6의 포워드 DC/DC 컨버터의 동작시 발생되는 각 부분의 파형도이고,
도8은 도6의 포워드 DC/DC 컨버터의 전류흐름을 각 동작모드에 따라 6가지로 구분하여 도시한 전류흐름도이고,
도9는 본 발명에 따른 무손실 스너버회로가 2스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터의 2차측에만 적용된 회로도이고,
도10은 본 발명에 따른 무손실 스너버회로가 1차측과 2차측에 모두 적용된 단일 스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터의 회로도이고,
도11은 본 발명에 따른 무손실 스너버회로가 단일 스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터의 2차측에만 적용된 회로도이고,
도12는 본 발명에 따른 무손실 스너버회로 및 입력역률 개선회로가 1차측과 2차측 그리고 교류입력단에 모두 적용된 2스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터의 회로도이고,
도13은 도12의 포워드 DC/DC 컨버터의 동작시 발생되는 각 부분의 파형도이고,
도14는 도12의 포워드 DC/DC 컨버터의 전류흐름을 각 동작모드에 따라 6가지로 구분하여 도시한 전류흐름도이고,
도15는 본 발명에 따른 입력역률 개선회로의 적용에 따라 입력교류전류가 파형왜곡없이 입력 커패시터로 전달되는 과정을 보여주는 파형도로서, (나)도는 (가)도의 'A'구간을 상세하게 확대한 파형도이고,
도16은 본 발명에 따른 무손실 스너버회로 및 입력역률 개선회로가 1차측과 2차측 그리고 단상의 교류입력단에 모두 적용된 단일 스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터의 회로도이고,
도17은 본 발명에 따른 무손실 스너버회로 및 입력역률 개선회로가 1차측과 2차측 그리고 상용3상의 교류입력단에 모두 적용된 2스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터의 회로도이고,
도18은 본발명에 따른 무손실 스너버회로 및 입력역률 개선회로가 1차측과 2차측 그리고 상용 3상의 교류입력단에 모두 적용된 단일 스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터의 회로도이다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
30, 320 : 브릿지 정류다이오드 10, 200 : 본 발명에 따른 스너버 회로
300 : 본 발명에 따른 입력역률 개선회로
310 : 교류여파기 C10, C20 : 스너버 커패시터
Cin : 입력 커패시터 Co : 출력 커패시터
Cp : 키생 커패시턴스 D10, D11, D21: 스너버 다이오드
D1, D2: 환류(還流) 다이오드 D20 : 전류(轉流) 다이오드
D331, D332 : 입력 다이오드 D3, D4: 출력정류 다이오드
L20 : 스너버 인덕터 L330 : 승압용 인덕터
Lf: 평활용 인덕터 S1, S2: 스위치
Tr : 고주파 변압기
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터의 소프트 스위칭을 위한 무손실 스너버회로는, 포워드 DC/DC 컨버터에 있어서, 용량성소자; 제1정류소자; 및 제2정류소자;를 포함하여 구성되고, 상기 용량성소자, 제1정류소자 그리고 제2정류소자는 Y-결선을 이루고, 다른 쪽 단자는 각각 변압기의 2차측의 비접지단, 부하단 그리고 접지에 연결되며, 상기 제1정류소자는 전류가 부하쪽으로 흐르도록 배치되고 상기 제 2정류소자는 상기 Y-결선점으로 전류가 흐르도록 배치되어 연결되는 것에 특징이 있는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터의 소프트 스위칭을 위한 무손실 스너버회로는, 변압기의 1차측의 한쪽 단과 접지간에 연결된 스위치를 포함하여 구성되는 DC/DC 컨버터에 있어서, 용량성소자; 제1정류소자; 및 직렬연결된 제2정류소자와 유도성소자로 구성되어 상기 용량성소자의 역충전경로를 형성하는 역충전지로;를 포함하여 구성되되, 상기 용량성소자, 제1정류소자 그리고 역충전지로는 Y-결선을 이루고, 다른 쪽 단자는 각각 상기 스위치의 비접지단, 상기 스위치가 연결된 변압기의 1차측단의 타단 그리고 접지단에 연결되며, 상기 제1정류소자는 전류가 상기 Y-결선점에서 유출되도록 배치되는 것에 특징이 있는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터의 교류입력단 입력역률 개선회로는, 변압기의 1차측의 한쪽 단과 접지간에 연결된 스위치;와 상기 변압기에 전력을 공급하는 입력 커패시터;를 포함하여 구성되는 DC/DC 컨버터에 있어서, 입력되는 교류전력을 정류하는 정류수단; 및 상기 정류수단의 전류출력단과 상기 스위치의 비접지단사이에 연결되는 유도성소자;를 포함하여 구성되는 것과, 입력되는 교류전력을 여파시켜 상기 정류수단으로 출력시키는 교류여파수단;을 더 포함하여 구성되는 것에 특징이 있는 것이며,
본 발명에 따른 DC/DC 컨버터의 입력역률 개선회로는, 상기 변압기쪽으로 전류가 흐르는 방향으로 배치되어 상기 유도성소자와 상기 변압기 1차측의 각단에 각각 연결되는 2개의 정류소자;를 더 포함하여 구성되는 것에 다른 특징이 있는 것이다
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터의 소프트 스위칭을 위한, 포워드 컨버터에 있어서의 2차측 무손실 스너버회로에서는, 1차측의 스위치가 변압기에 전압을 인가하는 순간, 역충전되어 있는 상기 용량성소자가 상기 제1정류소자를 통해 순방향 충전이 이루어지게 되고, 이에 따라 역방향으로 배치된 2차측의 출력정류 다이오드에는 완만한 역방향 전압인가가 이루어지며, 1차측의 스위치 턴오프시에는 순방향 충전된 상기 용량성소자가 상기 제2정류소자를 통해 방전을 시작하여 완만하게 역충전되고, 이에 따라 2차측의 순방향으로 배치된 출력정류 다이오드에 완만한 역방향 전압인가가 이루어지게 되어 급격한 임피던스의 변화가 발생하지 않게 된다.
또한, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터의 소프트 스위칭을 위한 1차측의 무손실 스너버회로에서는, 상기 스위치의 턴온시에는 이미 충전되어 있는 상기 용량성소자가 상기 제2정류소자와 유도성소자를 통해 완만하게 역충전이 이루어지게 되어 상기 스위치에는 영전류상태에서 완만한 전류인가가 이루어지게 되고, 상기 스위치의 턴오프시에는 역충전된 상기 용량성소자가 상기 제1정류소자를 통해 역방향으로 방전을 시작하여 완만하게 순방향충전이 이루어짐으로써, 상기 스위치에는 서서히 전압이 인가되어 영전압 스위칭되고, 상기 스위치내의 기생 커패시턴스에 의한 급격한 임피던스 변화효과는 발생하지 않게 된다.
또한, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터의 입력역률 개선회로에서는, 상기 스위치가 턴온되면 상기 정류수단에 의해 정류된 전류가 상기 유도성소자를 통해 상기 스위치로 유입되어 점차 증가하면서 흐르게 되고, 상기 스위치가 턴오프되면 상기 유도성소자를 흐르던 전류는 입력 커패시터사이에 연결된 다이오드를 통해 점차 감소하면서 상기 입력 커패시터에 유입되어 충전되게 되고, 상기 스위치의 고속의 스위칭 주파수에 따라 입력전력의 주파수를 기본파로 하는 펄스 변조된 삼각파 전력이 모두 상기 입력 커패시터에 유입됨으로써 입력파형의 왜형이 발생하지 않게 된다.
이하, 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터의 소프트 스위칭을 위한 무손실 스너버회로의 실시예의 구성과 동작을 2 스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터의 적용하여 상세히 설명한다.
도6은 본 발명에 따른 무손실 스너버회로가 1차측과 2차측에 모두 적용된 2 스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터의 회로도로서, 1차측에 인가된 전압을 2차측으로 유도하는 고주파 변압기(Tr); 직류전원을 상기 변압기(Tr)의 1차측에 단속적으로 인가하는 제1 및 제2스위치(S1, S2); 상기 제 1스위치(S1)와 전원단자 그리고 상기 제2스위치(S2)와 접지사이에 각각 역방향으로 연결되는 환류(還流) 다이오드(D1, D2); 상기 변압기(Tr)의 2차측에 유도된 전류를 정방향 출력전류로 정류하는 제1 및 제2 출력정류 다이오드(D3, D4); 상기 출력정류된 전류를 평활시키는 평활용 인덕터(Lf) 및 출력 커패시터(CO);로 구성되는 종래의 2 스위치 방식 포워드 DC/DC 컨버터의 구성요소에 더하여, 상기 제1스위치(S1)의 양단간에 직렬로 연결되어 있는 제1 스너버 커패시터(C20), 제 1스너버 다이오드(D21) 및 스너버 인덕터(L20);그리고 상기 제1 스너버 커패시터(C20)와 상기 제1 스너버 다이오드(D21)의 접점에서 상기 제 2스위치(S2)로 연결된 전류(轉流:commutation) 다이오드(D20)로 구성되는 1차측 스너버회로(200); 상기 변압기(Tr)의 2차측 양단에 직렬로 연결되어 있는 제2 스너버 커패시터(C10) 및 제 2스너버 다이오드(D11) 그리고 상기 제2 스너버 커패시터(C10)와 상기 제2 스너버 다이오드(D11)의 접점에서 상기 평활용 인덕터(Lf)의 후단으로 연결된 제3 스너버 다이오드(D10)로 구성되는 2차측 스너버회로(100);를 포함하여 구성되어 있다.
도7은 도6의 2스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터가 스위칭 동작하고 있는 동안에 발생되는 주요부분의 파형을 도시한 것으로서, 각 파형의 전환되는 시점(t1, t2, t3, t4, t5, t6)에는 상기 컨버터의 동작에 변화가 발생하므로 동작모드를 6가지로 구분할 수가 있다. 도8은 각 동작모드에 따른 도6의 포워드 DC/DC 컨버터를 도시한 것으로서 회로상에 굵은 선으로 표시된 부분은 각 해당모드에서 그 지로를 따라 전류가 흐르고 있음을 나타낸 것이다.
이하에서는, 본 발명에 따른 스너버회로(100, 200)가 1차측과 2차측에 모두 적용된 포워드 DC/DC 컨버터의 동작을, 상기 구분된 동작모드순으로 도7의 파형도와 도8의 모드별 회로도를 참고하여 상세히 설명한다. 최초 동작모드(모드 0)의 설명을 위해 제1 스너버 커패시터(C20)의 양단전압 VC20이 입력전압 Vin으로 충전되어 있고, 2차측의 제2 스너버 커패시터(C10)의 양단전압 VC10은 상기 고주파 변압기(Tr)의 2차측 전압의 부전압(-Vt2)으로 충전되어 있는 것으로 가정한다. 이 가정은 도7의 포워드 DC/DC 컨버터가 초기동작에서 일정시간이 흐르게 되면 회로특성상 저절로 획득되는 조건으로서 이 후의 설명에 의해 상기의 가정은 단지 설명의 편의만을 위한 것임이 밝혀지게 될 것이다.
모드 0(t0∼t1)
이 모드는 상기 제 1 및 제2 스위치(S1, S2)가 영전류 상태에서 턴온될 때 시작되며, 이 모드 시작시의 전류흐름은 도8의 (가)와 같다. 상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)가 턴온되며 직류 입력전압 Vin이 상기 고주파 변압기(Tr)의 1차측에 인가되고, 이에 따라 상기 변압기(Tr)의 1차측에 흐르는 전류 It1과, 상기 제1스위치(S1)에 의해 형성된 경로를 따라 흐르는, 이미 입력전압 Vin으로 충전되어 있던 제1 스너버 커패시터(C20)의 방전전류 I200의 합전류가 상기 제1스위치(S1)를 통해서 흐르게 된다. 상기 제1 스너버 커패시터(C20)가 계속 방전하여 그 양단전압 VC20이 0이 된 후에는 상기 제1 스너버 다이오드(D21)를 통해 상기 스너버 인덕터(L20)에 흐르던 전류에 따른 축적된 에너지에 의해 입력전압 Vin의 부전압(-Vin)으로 충전되기 시작한다.
한편, 상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)가 턴온되는 순간 상기 고주파 변압기(Tr)의 2차측에 유도된 전압은, 상기 제1 출력정류 다이오드(D3)를 통해 순간적으로 상기 제2 출력정류 다이오드(D4)에 인가되지 않고, -Vt2로 역충전되어 있던 제2 스너버 커패시터(C10)와 제3 스너버 다이오드(D10)에 의해 제공되는 저 임피던스 경로를 통해 상기 출력 커패시터(C0)로 2차측 전류 It1/n(n=N2/N1)을 흐르게 한다. 상기 제2 스너버 커패시터(C10)가 Vt2로 완만히 충전되기 시작하면서 상기 제2 출력정류 다이오드(D4)는 이전 동작모드(이 후에 설명되는 동작모드 5참조)에서 순환전류를 흘리고 있던 도통상태에서 차단상태로 완만히 전환되고, 또한 제2 스너버 커패시터(C10)의 상기 충전동안에 상기 제1 출력정류 다이오드(D3)를 흐르는 전류는 선형적으로 증가하면서 상기 제1 출력정류 다이오드(D3)가 차단상태에서 도통상태로 완만히 전환됨으로써 상태의 전환시작 시점에는 각각 영전류와 영전압 스위칭을 하게 된다. 상기 제2 스너버 커패시터(C10)는 상기 충전과정 동안에 2차측 전압의 2배인 2 Vt2로 과충전되었다가 다시 Vt2로 복귀하게 된다.
이 모드는 상기 제1 스너버 커패시터(C20)의 전압이 입력전압 Vin에서 -Vin으로 역충전되면 끝나고 다음 동작모드가 진행된다.
모드 1(t1∼t2)
이 모드는 파워링(powering)모드로서, 상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)를 통해 상기 고주파 변압기(Tr)의 2차측의 부하로 입력전력이 전달되어 도8의 (나)와 같은 전류흐름을 형성한다. 이 모드는 모드 0에서 진행되는 제1 스너버 커패시터(C20)와 제2 스너버 커패시터(C10)의 공진이 모두 멈춘 상태로서, 특히 상기 제1 스너버 커패시터(C20)에 역충전되어 있는 -Vin전압은, 상기 전류(轉流) 다이오드(D20)를 통해 입력전압 Vin으로 연결되어 동전위이기 때문에 방전경로가 형성되지 않아 역충전된 상태에서 다음 동작모드가 시작될 때까지 유지된다.
모드 2(t2∼t3)
상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)가 정해진 듀티비(duty ratio)에 따라 턴오프되면 이 모드가 시작된다. 먼저, 상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)가 턴오프되면 부의 입력전압 -Vin으로 역충전되어 있던 상기 제1 스너버 커패시터(C20)가 상기 전류(전류轉流) 다이오드(D20)와 상기 고주파 변압기(Tr)의 1차권선으로 형성된 루프를 통해 역방전을 시작한다. 이 역방전동안에 상기 제1 스너버 커패시터(C20)의 양의 전위가 상기 전류 다이오드(D20)을 통해 상기 환류 다이오드(D2)에 역방향 전압으로 인가되기 때문에 상기 환류 다이오드(D2)는 도통하지 못하게 된다. 따라서 종래의 스위칭에서와 같이, 상기 환류 다이오드(D1, D2)가 상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)의 턴오프시에 즉시 환류전류에 의해 도통되면서 상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)에 급격한 입력전압 Vin이 인가되는 것과는 달리, 상기 제1 스너버 커패시터(C20)의 역방전속도(충전속도)에 따라 완만하게 전압인가가 이루어지게 됨으로써 상기 제 1및 제2 스위치(S1, S2)의 턴오프시점에는 영전압상태에서 이루어지게 되는 것이다. 상기 제1 스너버 커패시터(C20)의 양단전압은 도8의 (다)의 1차측과 같은 전류경로를 따라 계속 역방전하여 0으로 된다.
한편, 2차측에 흐르는 It1/n의 값은 0이 되고, 상기 제2 스너버 커패시터(C10)에 Vt2로 충전되어 있던 에너지가 도8의 (다)에 형성된 경로에 따라 상기 제1 출력정류 다이오드(D3)를 통해 방전하기 시작하여 상기 평활용 필터(Lf, CO)에 의해 일정하게 흐르는 부하전류(IO)를 공급한다.
모드 3(t3∼t4)
상기 제2 스너버 커패시터(C10)가 방전하는 도중, 그 양단전압이 0이 되면 상기 제1 출력정류 다이오드(D3)에 순방향으로 인가된 전압이 0이 되므로 도통 상태에서 차단상태로 전환되어 흐르던 전류(ID3)가 0이 되고 이 모드가 시작된다. 상기 제1 출력정류 다이오드(D3)가 차단되는 순간 상기 평활용 인덕터(Lf)에 의해 부하쪽으로 일정하게 흐르던 부하전류(IO)는 상기 제2 출력정류 다이오드(D4)를 통해 흐르기 시작하고, 0으로 방전된 상기 제2 스너버 커패시터(C10)는 상기 고주파 변압기(Tr)의 1차측 전압의 극성반전에 따른 상기 고주파 변압기(Tr)의 2차측 전압의 극성반전에 의해 상기 고주파 변압기(Tr)의 누설인덕턴스를 통해 역향방으로 -Vt2까지 충전이 진행되는 데, 이 충전되는 속도에 맞추어 상기 제1 출력 정류 다이오드(D3)에는 역방향의 전압(VD3)이 완만하게 인가된다. 상기 변압기(Tr)의 2차측에는 이 모드동안 도8의 (라)에서 보는 것과 같이 2개의 전류루프에 따라 전류흐름이 이루어진다.
한편, 이 모드동안 상기 제1 스너버 커패시터(C20)는 역방전하여 그 양단전압이 0이 된 후에도 모든 2에서와 동일한 전류경로를 따라 그 양단전압이 입력전압 Vin이 될 때까지 계속 충전이 진행된다.
모드 4(t4∼t5)
상기 제1 스너버 커패시터(C20)가 충전을 계속하여 그 양단전압이 입력전압 Vin과 동일하게 되면 이 모드가 시작되는 데, 상기 제1 스너버 커패시터(C20)가 입력전압 Vin으로 충전되면 1차측에 흐르던 전류(It1)의 상기 제1 스너버 커패시터(C20)로의 흐름은 중단되고 상기 환류다이오드(D1, D2)를 도통시켜 환류하기 시작하고 이에 따라 도8의 (마)에서와 같은 새로운 전류경로를 따라 상기 고주파 변압기(Tr)의 누설 인덕턴스에 축적된 에너지와 여자 에너지가 입력전원으로 복귀하면서 저감된다.
한편, 이 모드가 되기 전에 역충전과정에 의해 이미 -Vt2의 전압으로 역충전된 상기 제2 스너버 커패시터(C10)에는 전류흐름이 중단되고, 단지 부하전류(IO)만이 상기 제2 출력정류 다이오드(D4)를 통해서 환류하게 된다.
모드 5(t5∼t6)
상기 고주파 변압기(Tr)의 누설 인덕터에 축적되었던 에너지와 여자에너지가 입력전원으로 모두 복귀하게 되면, 즉 상기 환류 다이오드(D1, D2)와 상기 고주파 변압기(Tr)를 통한 환류 전류(ID1)가 0이 되면, 이 모드가 시작된다.
상기 환류전류가 0이 되면, 그 동안 환류전류에 의해 상기 고주파 변압기(Tr)의 1차측 및 2차측에 역방향으로 유지되어 있던 상기 고주파 변압기(Tr)의 1차측 및 2차측 전압도 선형적으로 감소하기 시작한다. 이 때, 상기 제2 스너버 커패시터(C10)에 충전되어 있던 전압 Vt2는 상기 제3 스너버 다이오드(D10)와 상기 출력 커패시터(CO)를 통해 방전하기 시작하여 출력전압 Vout에 머물고, 상기 제1 출력정류 다이오드(D3)의 양단전압(VD3)도 선형적으로 감소하게 된다. 이 모드동안에는 도8의 (바)에서와 같이 단지 부하전류(IO)만이 상기 제2 출력정류 다이오드(D4)를 통해서 환류하게 된다.
이와 같은 상태에서, 상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)가 턴온되면 모드0이 반복되게 되는 데, 상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)가 탄온되는 시점에는 영전류 스위칭이 이루어지게 되는 것은 모드 0에서 설명한 바와 같다.
지금까지 설명한 6가지로 구분된 동작모드에 따라, 본 발명에 따른 무손실 스너버 회로가 1차측과 2차측에 모두 적용된 포워드 DC/DC 컨버터에서는, 적용된 스너버회로내의 자체 전력손실없이 상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)와 제1 및 제2 출력정류 다이오드(D3, D4)의 소프트 스위칭과 상태전환이 이루어지게 되는 것이다.
본 발명에 따른 DC/DC 컨버터의 소프트 스위칭을 위한 무손실 스너버회로(100, 200)중 1차측의 무손실 스너버회로(200)는 2차측의 회로구성에 제한받지 않고, 즉 상기 평활용 인덕터(Lf)가 없는 플라이백(Flyback) DC/DC 컨버터와 같은 회로의 1차측 스위치의 소프트 스위칭을 위해서도 적용할 수 있음은 물론이며 이때의 1차측 동작은 앞서 설명한 동작과정과 동일하다. 또한, 도9에 도시된 바와 같이, 2차측의 무손실 스너버회로(100)도 1차측에의 무손실 스너버회로(200)의 적용유무에 관계없이 2차측에만 설치하여 상기 제1 및 제2 출력정류 다이오드(D3, D4)의 소프트의 상태전환을 가능하게 할 수 있으며, 이 때의 동작은, 도7과 도8에서 1차측의 무손실 스너버회로(200)의 동작과정이 배제된 것과 동일하다.
도10과 도11은 발명에 따른 DC/DC 컨버터의 소프트 스위칭을 위한 무손실 스너버회로가 단일 스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터에 적용된 다른 실시예로서, 도10은 1차측과 2차측 모두에 무손실 스너버회로를 적용한 것이고, 도11은 2차측에만 무손실 스너버회로를 적용한 것이다.
단일 스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터에 적용된 경우의 회로 결선은 도10과 도11에서 도시된 바와 같이, 2차측의 구성은 동일하고 다만 1차측의 전류(轉流) 다이오드(D20)가 전원입력단에 역방향으로 연결되어 있는 것만이 상이할 뿐으로서, 각 동작모드와 동작파형, 그리고 그 동작모드에 따른 전류경로는 본질적으로 상이한 회로 부분만을 배제한다면 도7과 도8의 파형도 및 동작모드별 회로도와 거의 동일한 동작특성을 갖는다.
도12는 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터의 소프트 스위칭을 위한 무손실 스너버회로에 본 발명에 따른 교류입력을 사용하는 DC/DC 컨버터의 입력역률 개선회로가 함께 적용된 2스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터의 회로도로서, 입력되는 교류전력을 스위칭 주파수성분과 노이즈를 여파시키는 교류여파기(310); 상기 여파된 교류전력을 정류시켜 출력하는 브릿지(bridge) 다이오드(320); 상기 브릿지 다이오드(320)에서 환류 다이오드(D1)와 스위치(S1)의 접점으로 연결된 승압용 인덕터(L330);로 구성되는 입력역률 개선회로(300)가 더 포함되어 구성되어 있다.
도13과 도14는 도12의 포워드 DC/DC컨버터가 동작할 때의 주요부분의 파형과 전류흐름을 각각 도시한 것으로서 도13의 파형도는, 상기 승압용 인덕터(L330)를 흐르는 전류성분(II,330)의 파형이 추가된 것이외에는 모든 부분의 파형이 도6의 포워드 DC/DC 컨버터의 주요부분의 파형도인 도7과 동일하며, 도14의 전류흐름을 도시한 각 회로도는, 스위치(S1, S2)가 턴온되어 있는 동안(모드 0과 모드1 동안), 입력전류가 상기 스위치(S1)를 통해 흐르면서 상기 브릿지 다이오드(320)의 후단에 위치한 상기 승압용 인덕터(L330)에 에너지가 축적되고, 상기 스위치(S1, S2)의 턴오프 시부터(모드 2 이후) 상기 승압용 인덕터(L330)에 축적된 에너지가 상기 환류 다이오드(D1)를 통해 입력 커패시터(Cin)로 유입충전되는 전류흐름을 배제한다면, 도8의 각 전류흐름도와 일대일 대응하여 동일하다.
도15의 (가)와 (나)는 상기 승압용 인덕터(L330)에 의해 상기 입력 커패시터(Cin)로 교류전류가 파형왜곡없이 전달되는 과정을 보여주는 파형도로서 (나)도는 상기 승압용 인덕터(L330)의 전압(VL330)과의 관계를 상세히 보여주기 위해 (가)도의 'A'부분을 확대한 파형도이다. 도15의 (나)도는 승압에 의한 전류유입을 이론적으로 설명하기 위한 파형도로서 실제의 파형과는 다소 차이가 있으며, 특히 실제의 파형에서는 상기 승압용 인덕터(L330)의 각각의 전압파형의 넓이가 일정하도록 펄스폭이 상이하게 나타난다. 이하에서는 도13, 도14 그리고 도15를 참고하여 도12의 포워드 DC/DC 컨버터에서 입력 교류전류가 상기 입력 커패시터(Cin)로 왜곡없이 유입되는 동작을 상세히 설명한다.
상기 스위치(S1, S2)가 턴온되어 있는 모드0과 모드1인 동안에는 도14의 (가)와 (나)에 도시된 것과 같이, 상기 입력 커패시터(Cin)에 축적되어 있는 에너지는 스위치(S2), 변압기(Tr)의 1차측 그리고 스위치(S1)를 통해 전류를 흘려 2차측에 에너지를 공급하는 반면, 상기 브릿지 다이오드(320)에 의해 정류된 전류는 상기 승압용 인덕터(L330)를 통해 상기 스위치(S1)를 흐르게 된다. 이 때, 상기 승압용 인덕터(L330)의 양단에는 상기 브릿지 다이오드(320) 쪽이 양전위가 되어 교류전압이 모두 인가되게 되고, 상기 인가된 교류전압이 짧은 시간에는 거의 일정한 값이므로 상기 승압용 인덕터(L330)에 흐르는 전류(II330)는 선형적으로 증가하게 되며(도15 (나)의 'a'구간), 전류가 증가하는 동안 상기 승압용 인덕터(L330)에는 에너지가 축적된다. 상기 스위치(S1, S2)가 턴오프되는 모드2가 되면, 상기 승압용 인덕터(L330)의 양단전압은 반전되면서 그 반전된 전압이 반전시점에서의 상기 브릿지 다이오드(320)의 출력전압(정류된 Vac)에 더해져 상기 입력 커패시터(Cin)로 전달된다.(도15(나)의 'b'구간) 이 때의 상기 승압용 인덕터(L330)의 반전전압의 크기는 반전시점에서의 입력 커패시터(Cin)의 전압과 정류된 입력전압(Vac)의 차이만큼이 되고 이에 따라 상기 환류 다이오드(D1)가 도통되어 상기 승압용 인덕터(L330)에 축적되어 있던 에너지가 상기 입력 커패시터(Cin)로 유입충전되면서 상기 승압용 인덕터(L330)를 흐르는 전류는 선형적으로 감소하게 된다. 상기 승압용 인덕터(L330)의 전압반전시점에서의 상기 입력 커패시터(Cin)와 정류된 입력전압(Vac)과의 차가 크면 반전된 전압의 크기도 커져 상기 입력 커패시터(Cin)로 에너지가 유입되는 속도가 빠르고 상기 양전압의 차가 작으면 상기 입력 커패시터(Cin)로 에너지가 유입되는 속도가 상대적으로 느리게 된다.
상기와 같은 과정에 따라, 도15의 (가)에서 도시된 것과 같이 상기 입력 커패시터(Cin)에 유입되는 전류는 입력전류(Iac)의 파형을 기본파로 하는 삼각파 펄스이므로 유입되는 입력전류(Iac)의 파형에는 왜곡이 발생하지 않게 되고, 따라서 깨끗한 정현파가 되는 것이다.
상기와 같은 입력역률 개선회로는 단일 스위치 방식의 DC/DC 컨버터에도 적용할 수 있으며, 이 때에도 도16에 도시된 바와 같이, 승압용 인덕터(L330)와 고주파 변압기(Tr)의 1차측 코일 양단사이에 입력 다이오드(D331, D332)가 상기 승압용 인덕터(L330)로부터 전류가 유입되는 방향으로 배치되어 각각 삽입연결되어 있는 것이 상이할 뿐이고, 입력전류(Iac)의 입력 커패시터(Cin)로의 유입충전 과정은 앞서 설명한 바와 같다.
또한, 상기와 같은 입력역률 개선회로는, 단상(單相)의 입력전력 뿐만 아니라 도17 및 도18과 같은 3상인 경우에도 동일하게 적용할 수 있음은 물론이고, 이때의 교류여파기(310)에는 각 상마다 여파회로가 설치되고, 브릿지 다이오드(320)에는 각 상마다 전류를 유출·유입하는 2개의 다이오드가 설치되는 것만 상이할 뿐 유입되는 교류전류(Iac)를 입력 커패시터(Cin)로 유입충전시키는 승압용 인덕터(L330)의 동작과 기능은 단상일 때와 동일하다.
상기와 같이 구성되어 작용하는 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터의 소프트 스위칭을 위한 무손실 스너버회로는, 다양한 DC/DC 컨버터에 적용하여 자체적으로 전력을 소모하지 않으면서 컨버터내의 스위칭소자들이 소프트 스위칭을 이루도록 하여 스위칭손실을 제거하고, 또한 특히 포워드 DC/DC 컨버터에 적용하여서는 2차측 출력다이오드의 역회복 손실 및 기생진동에 따른 EMI(Electro-Magnetic Interference)를 줄일 수 있어 출력전류 및 전압의 품질을 향상시킬 수 있으며,
또한, 본 발명에 따른 소형의 크기와 낮은 비용으로 구성되는 간단한 회로 입력역률 개선회로가 소프트 스위칭을 이루는 DC/DC 컨버터에 부가되어 설치되는 경우에는, 입력되는 교류전류를 파형 왜곡없이 DC/DC 컨버터내로 유입시키고, 이에 따라 파형왜곡에 의해 발생하는 고조파성분에 의해 다른 전원기기 및 전원에 고조파 장해를 일으키는 것을 제거하고, 전력의 송전효율을 향상시키는 효과를 갖는 매우 유용하고 경제적이며, 우수한 발명인 것이다.

Claims (5)

  1. 포워드(Forward) DC/DC 컨버터에 있어서, 용량성소자; 제1정류소자; 및 제2정류소자;를 포함하여 구성되되, 상기 용량성소자, 제1정류소자 그리고 제2정류소자는 Y-결선을 이루고, 상기 용량성소자는 변압기의 2차측 비접지단에 연결되고, 상기 제1정류소자는 부하쪽으로 전류가 흐르도록 배치되어 부하단에 연결되고 상기 제2정류소자는 상기 Y-결선점으로 전류가 흐르도록 배치되어 접지에 연결되는 DC/DC 컨버터의 소프트 스위칭을 위한 무손실 스너버회로.
  2. 변압기의 1차측의 한쪽 단과 접지간에 연결된 스위치를 포함하여 구성되는 DC/DC 컨버터에 있어서, 용량성소자; 제1정류소자; 및 직렬연결된 제2정류소자와 유도성소자로 구성되어 상기 용량성소자의 역충전경로를 형성하는 역충전지로;를 포함하여 구성되되, 상기 용량성소자, 제1정류소자 그리고 역충전지로는 Y-결선을 이루고, 상기 용량성소자는 상기 스위치의 비접지단에 연결되고, 상기 제1정류소자는 전류가 상기 Y-결선점에서 유출되도록 배치되어 상기 스위치가 연결된 변압기의 1차측단의 타단에 연결되고, 상기 역충전지로는 접지에 연결되는 DC/DC 컨버터의 소프트 스위칭을 위한 무손실 스너버회로.
  3. 변압기의 1차측의 한쪽 단과 접지간에 연결된 스위치;와 상기 변압기에 전력을 공급하는 입력 커패시터;를 포함하여 구성되는 제2항의 무손실회로가 적용된 DC/DC컨버터에 있어서, 입력되는 교류전력을 정류하는 정류수단; 및 상기 정류수단의 전류출력단과 상기 스위치의 비접지단사이에 연결되는 유도서소자;를 포함하여 구성되는 DC/DC 컨버터의 입력역률 개선회로.
  4. 제3항에 있어서, 입력되는 교류전력을 여파시켜 특정주파수의 전력만을 상기 정류수단에 입력하는 교류여파수단;를 더 포함하여 구성되는 DC/DC 컨버터의 입력역률 개선회로.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 유도성소자와 상기 스위치의 비접지단 사이에 전류가 상기 스위치로 흐르도록 배치되어 삽입·연결되는 제1정류소자; 및 상기 유도성소자와 상기 스위치가 연결된 변압기의 1차측단의 타단에 전류가 상기 입력 커패시터로 흐르도록 배치되어 연결된 제2정류소자;를 더 포함하여 구성되는 DC/DC 컨버터의 입력역률 개선회로.
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