KR20020080998A - 승압형 컨버터를 위한 무손실 스너버 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 승압형 DC/DC 컨버터와 AC/DC 컨버터 및 단상 역률보상회로에 적용하기 위한 승압형 컨버터를 위한 무손실 스너버 회로에 관한 것으로서, 승압용 제 1 인덕터(L1)의 후단에 일단이 연결되고 타단은 입력 전원 단속을 위한 전력용 반도체 스위치(예컨대 IGBT, FET 등)의 컬렉터(IGBT 기준)에 연결된 제 2 인덕터(L2); 상기 제 2 인덕터(L2)의 일단과 상기 제 1 다이오드(D1)의 애노드와의 공통 연결점에 일단이 연결된 제 3 인덕터(L3); 상기 제 2 인덕터(L2)와 상기 IGBT의 공통 연결점에 애노드가 연결되고, 캐소드는 상기 정류 캐패시터(Co)와 상기 제 1 다이오드(D1)의 캐소드와의 공통 연결점에 연결된 제 2 다이오드; 상기 제 2 인덕터(L2), 상기 IGBT 및 상기 제 2 다이오드(D2)의 공통 연결점에 애노드가 연결되고, 캐소드는 상기 제 3 인덕터(L3)의 타단에 연결된 스너버 다이오드(D3); 및 상기 스너버 다이오드(D3)와 상기 제 3 인덕터(L)의 공통 연결점에 일단이 연결되고 타단은 상기 IGBT의 에미터에 연결된 스너버 캐패시터(Cs)로 구성되어, 기존의 무손실 스너버 회로와 비교하여 회로의 복잡성이 작도록 하고, 부가적인 능동 스위치의 이용을 배제하며, 기존의 공진형회로와 비교하여 부하에 대한 특성변화가 없다.

Description

승압형 컨버터를 위한 무손실 스너버 회로{Lossless snubber for boost converter}

본 발명은 승압형 컨버터를 위한 무손실 스너버 회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 승압용 인덕터에 보조 권선이 결선된 새로운 무손실 스너버 회로를 구성하여 승압형 컨버터의 효율 증대와 전자기방해(EMI) 문제 해소 및 동작 주파수의 증대 등을 획득토록 함으로서, 승압형 DC/DC 컨버터와 AC/DC 컨버터 및 단상 역률보상회로에 적용하기 위한, 승압형 컨버터를 위한 무손실 스너버 회로에 관한 것이다.

일반적으로, 승압형 컨버터에 구비되는 전력용 반도체 스위치 소자는, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 턴-온(turn-on)과 턴-오프(turn-off)를 할 때에 전압(Vsw)과 전류(Isw)가 교차하는 영역이 존재하며 이로 인한 스위칭 손실과 노이즈가 발생한다. 이러한 점은 특히, 동작 주파수와 비례하므로 주파수의 증가는 손실과 노이즈의 증가로 이어진다.

최근, 전원 장치의 고밀도화와 소형화 추세에 맞추기 위해서는 주파수를 증가시켜야 하기 때문에, 상기의 스위칭 손실 문제를 해결하기 위한 방안이 반드시 필요하다.

현재까지 여러 문헌에서 관련되는 회로 기술을 제안하여 왔으며 대표적인 것이 공진형 회로를 이용한 방식과 능동 스위치를 이용하는 방식 그리고 스너버회로를 이용하는 방법이 있다.

공진형 회로를 이용하는 방법은 스위치 소자의 턴 온과 오프 상태 이전에 소자의 전압이나 전류를 영으로 만들어서 스위칭시의 전압과 전류가 교차되는 손실을 없애주는 방식인 데, 그 공진 회로의 단점은 공진 특성이 부하에 따라 달라지므로 부하 영역에 따라 바라는 특성을 얻을 수 없는 부분이 존재할 수 있으며 부하 상태에 따라 소자의 스트레스가 매우 커질 수 있다. 따라서 사용 영역이 제한적이므로 AC/DC 컨버터의 용도로는 부적합한 단점을 가지고 있다.

즉, 영전압 컨버터는 부하가 급격히 경감하면 소자의 전압 스트레스가 매우 커지는 단점이 있으며, 영전류 컨버터는 부하에 따라 전류 스트레스가 커지는 단점이 있다. 이를 해소하기 위해 여러 가지 변형된 회로들이 다수 제안되었으나 모두 회로의 복잡성이나 또 다른 문제점을 내포하고 있어서 실제 상용화된 장치에는 거의 응용되지 않고 있다.

한편, 능동 스위치를 이용하는 방식은 도 2에 도시한 회로 외에 다양하게 있으며 우수한 소프트 스위칭 특성을 얻을 수 있고, 모든 부하 영역에서 동작이 바라는 대로 이뤄지며 부가적인 손실 역시 가장 낮은 장점을 가지나, 능동 스위치로 인한 회로의 구성 비용이 가장 높으며 제어 회로 역시 복잡해지는 단점을 가진다.

즉, 능동 스위치를 보조 회로로 이용하여 구성한 방식은 문헌에서 많은 종류가 제안되었으며 이의 우수한 특성은 이미 검증되어졌으나, 상용화된 장치를 구성하는 데에 가장 중요한 부분인 가격 부분과 회로의 복잡성 및 신뢰도에서 가장 취약한 단점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 그 목적은 승압형 컨버터에 적용하여 스위칭 시의 손실을 최소화하되, 기존의 무손실 스너버 회로와 비교하여 회로의 복잡성이 작도록 하고, 부가적인 능동 스위치의 이용을 배제하며, 기존의 공진형 회로와 비교하여 부하에 대한 특성 변화가 없도록 된, 승압형 컨버터를 위한 무손실 스너버 회로를 제공하고지 하는 것이다.

도 1의 (a)와 (b)는 전력용 반도체 스위치의 하드 스위칭 시와 소프트 스위칭 시의 전압,전류의 파형도이고,

도 2는 기존의 능동 스위치를 이용한 소프트 스위칭 회로도이고,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 승압형 컨버터를 위한 무손실 스너버의 회로도이고,

도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 동작 모드별 전류 흐름을 굵은선으로 표시한 도면이고,

도 5는 도 4의 각 동작 모드에 따른 본 발명의 주요 파형도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

30 : 스너버 회로 Vin : 입력 전원

L1,L2,L3 : 인덕터 D1,D2,D3 : 다이오드

Co,C,Cs : 캐패시터 FET : 전계효과 트랜지스터

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 승압형 컨버터를 위한 무손실 스너버 회로는, 전원 입력단에 승압용 제 1 인덕터 및 그 입력 전원에 병렬 연결된 스위칭 소자를 구비한 승압형 컨버터에 있어서, 상기 제 1 인덕터의 후단에 일단이 연결되고 타단은 상기 스위칭 소자의 전류 유입단에 연결된 제 2 인덕터; 상기 제 2 인덕터의 일단과 제 1 다이오드의 애노드와의 공통 연결점에 일단이 연결된 제 3 인덕터; 상기 제 2 인덕터와 상기 스위칭 소자의 공통 연결점에 애노드가 연결되고, 캐소드는 상기 전원에 병렬 연결된 정류 캐패시터와 상기 제 1 다이오드의 캐소드와 공통 연결점에 연결된 제 2 다이오드; 상기 제 2 인덕터, 상기 스위칭 소자 및 상기 제 2 다이오드의 공통 연결점에 애노드가 연결되고, 캐소드는 상기 제 3 인덕터의 타단에 연결된 스너버 다이오드; 및 상기 스너버 다이오드와 상기 제 3 인덕터의 공통 연결점에 일단이 연결되고 타단은 상기 스위칭 소자의 전류 유출단에 연결된 스너버 캐패시터로 구성된 것을 특징으로 하며, 특히 상기 제 2 인덕터 및 상기 제 3 인덕터는 상기 제 1 인덕터와 비교하여 감극성으로 권선되어 있다.

이하, 참조 도면을 참조하여 본 발명으 바람직한 실시예에 따른 승압형 컨버터를 위한 무손실 스너버 회로에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 승압형 컨버터를 위한 무손실 스너버의 회로도로서, 동 도면에 도시된 바와 같이, 직류 310V의 입력 전원(Vin)와, 상기 전원(Vin)의 양극에 일단이 연결되어 승압을 위한 400uH 의 제 1 인덕터(L1)와, 그 제 1 인덕터의 타단에 애노드가 연결되고 캐소드는 부하(Load)의 일단에 연결된 500V 30A의 제 1 다이오드와(D1), 상기 제 1 다이오드(D1)의 후단에서 상기 전원(Vin)과 상기 부하(Load)에 병렬 연결된 450V 1000uF의 정류 캐패시터(Co)와, 상기 제 1 인덕터(L1)와 상기 제 1 다이오드(D1)의 사이에 상기 전원(Vin)과 병렬 연결되어 그 입력 전원을 단속하는 전력용 반도체 스위치 소자로서의 600V 28A의 전계효과 트랜지스터(FET)를 구비하는 승압형 컨버터에 본 발명에 따른 무손실 스너버 회로(30)가 결선되어 있다.

상기 본 발명의 무손실 스너버 회로(30)는, 상기 제 1 인덕터(L1)의 후단에 일단이 연결되고 타단은 상기 전계효과 트랜지스터(FET)의 드레인에 연결된 20uH의 제 2 인덕터(L2); 상기 제 2 인덕터(L2)의 일단과 상기 제 1 다이오드(D1)의 애노드와의 공통 연결점에 일단이 연결된 20uH의 제 3 인덕터(L3); 상기 제 2인덕터(L2)와 상기 전계 효과 트랜지스터(FET)의 공통 연결점에 애노드가 연결되고, 캐소드는 상기 정류 캐패시터(Co)와 상기 제 1 다이오드(D1)의 캐소드와의 공통 연결점에 연결된 500V 30A의 제 2 다이오드; 상기 제 2 인덕터(L2), 상기 전계효과 트랜지스터(FET) 및 상기 제 2 다이오드(D2)의 공통 연결점에 애노드가 연결되고, 캐소드는 상기 제 3 인덕터(L3)의 타단에 연결된 스너버 다이오드(D3); 및 상기 스너버 다이오드(D3)와 상기 제 3 인덕터(L)의 공통 연결점에 일단이 연결되고 타단은 상기 전계효과 트랜지스터(FET)의 소오스에 연결된 630V 1nF의 스너버 캐패시터(Cs)로 구성되어 있고, 상기 제 2 다이오드(D2)의 캐소드와 상기 정류 캐패시터의 음극단에 연결된 무극성 5uF의 캐패시터(C)가 추가 결선되어 있다.

상기 본 발명의 실시 예는, 단상 220V 입력의 전원을 기준으로 약 2kW급의 장치를 구성한 예로서, 제어기(미도시)는 전용 제어 IC를 이용하였다. 스위칭 주파수는 40kHz로 하였으며 출력전압은 400VDC를 얻도록 구성하였다. 입력단에 나타나는 스위칭 리플을 줄이기 위해 약 1uF의 커패시터를 입력전원단에 결선하였다. 본 회로에서 추가되는 다이오드(D2,D3)들은 평균 전류가 주회로의 다이오드(D1)에 비해 매우 작으므로 보다 작은 전류 용량의 소자가 사용가능하다.

이어, 본 발명의 동작에 대하여 설명토록 한다.

도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 동작 모드(Mode)별 전류 흐름을 굵은선으로 표시한 도면이고, 도 5는 각 동작 모드에 따른 본 발명의 주요 파형도이다.

본 발명의 회로는 DC/DC 컨버터와 AC/DC 컨버터에 동일한 동작을 하며 설명은 입력 전압이 일정한 DC/DC 컨버터를 기준으로 한다. 본 발명에 따른 회로의 동작은 한 주기의 동작에서 다음과 같이 6개의 모드로 나눌 수 있다.

모드 1

도 4a와 같이, 출력으로 승압용 인덕터(L1)와 입력 전원(Vin)으로부터 부하(Load)로 전력이 전달된다. 상기 전계효과 트랜지스터(FET)는 오프되어 있으며 상기 스너버 커패시터(Cs)는 부하전압으로 충전되어 있다.

모드 2

도 4b와 같이, 상기 전계효과 트랜지스터(FET)가 턴-온하며 승압 컨버터로 흐르는 전류는 그 전계효과 트랜지스터(FET) 쪽으로 흐르기 시작하고, 상기 제 1 다이오드(D1)을 통해 흐르는 전류는 점차 감소한다. 이때, 상기 승압용 인덕터 2차권선(L2) 때문에 전류의 변화 속도가 느려지게 된다. 따라서 상기제 1 다이오드(D1)의 역회복 시간에 의한 회복 전류로 기인한 손실이 일반 하드 스위칭 회로에 비해 많이 감소하게 된다.

모드 3

도 4c와 같이, 상기 제 1 다이오드(D1)은 완전히 턴-오프되고 상기 스너버 커패시터(Cs)의 전압은 상기 제 3 인덕터(L3)를 통해 방전하며 영으로 리셋된다.

모드 4

도 4d와 같이, 상기 전계효과 트랜지스터(FET)는 턴-온 되어있고 상기 인덕터(L1,L2) 전류(I_L1,I_L2)는 입력전압(Vin)에 의해 증가하게 된다. 이때 부하(Load)는출력단 커패시터(Co)에 의해 일정한 전압으로 인가되어 진다.

모드 5

도 4e와 같이, 상기 전계효과 트랜지스터(FET)가 다시 턴-오프되고 상기 승압용 인덕터(L1)로 흐르는 전류는 그 전계효과 트랜지스터(FET)의 스너버 커패시터(Cs)를 충전시키고 동시에 상기 제 2 인덕터(L2)를 통해서 상기 출력단 커패시터(Co)로 흐른다. 이때, 상기 스너버 커패시터(Cs)의 전압(Vcs)은 상기 전계효과 트랜지스터(FET)의 전압(Vs)과 동일하다.

따라서, 상기 스너버 커패시터(Cs) 전압(Vcs)은 천천히 상승하게 되므로 상기 전계효과 트랜지스터(FET)의 전압(Vs)과 전류(Is)의 교차 부분이 거의 없게 되며 턴-오프손실은 거의 영이 된다.

모드 6

도 4f와 같이, 상기 스너버 커패시터(Cs)의 전압(Vcs)이 출력 전압(Vo)과 같아지면 그 커패시터(Cs)의 전압(Vcs)은 일정하게 유지된다. 상기 승압용 인덕터(L1)의 이차권선(L2)를 통해 흐르는 전류는 점차 감소하여서 영으로 리셋된다. 동시에 입력 전류와 이차권선(L2)의 전류의 차에 해당하는 전류가 상기 다이오드(D1)를 통해 흐르기 시작한다.

이상과 같은 제 1 내지 제 6의 동작 모드는 한 주기를 기준으로 나타낸 것이며 계속적으로 반복된다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 승압형 컨버터를 위한 무손실 스너버 회로는, 능동 스위치를 사용하지 않고 승압용 컨버터에서 주 스위치의 스위칭 손실을 경감할 수 있는 무손실형 스너버회로이고??, 부가되는 보조회로는 소수의 작은 용량의 수동 소자를 이용하므로 부가적인 제어회로가 필요없으며 이로 인한 부가적인 손실이나 회로영향이 없는 우수한 장점을 가진다. 따라서, 종래의 공진형 컨버터나 능동스위치를 이용하는 방식에 비해서 부하에 의존하지 않으며 회로의 복잡도가 낮은 장점을 가지고, 종래의 무손실형 스너버와 비교할 때 소자 수에서 보다 간단화되는 장점을 가지며, 또한 주 스위치의 스위칭 스트레스를 줄여주는 역할을 함으로써 하드스위칭으로 야기되는 전자기방해(EMI) 문제 역시 해소할 수 있다.

Claims (2)

1. 전원 입력단에 승압용 제 1 인덕터 및 그 입력 전원에 병렬 연결된 스위칭 소자를 구비한 승압형 컨버터에 있어서,

   상기 제 1 인덕터의 후단에 일단이 연결되고 타단은 상기 스위칭 소자의 전류 유입단에 연결된 제 2 인덕터;

   상기 제 2 인덕터의 일단과 제 1 다이오드의 애노드와의 공통 연결점에 일단이 연결된 제 3 인덕터;

   상기 제 2 인덕터와 상기 스위칭 소자의 공통 연결점에 애노드가 연결되고, 캐소드는 부하에 병렬 연결된 정류 캐패시터와 상기 제 1 다이오드의 캐소드와의 공통 연결점에 연결된 제 2 다이오드;

   상기 제 2 인덕터, 상기 스위칭 소자 및 상기 제 2 다이오드의 공통 연결점에 애노드가 연결되고, 캐소드는 상기 제 3 인덕터의 타단에 연결된 스너버 다이오드; 및

   상기 스너버 다이오드와 상기 제 3 인덕터의 공통 연결점에 일단이 연결되고 타단은 상기 스위칭 소자의 전류 유출단에 연결된 스너버 캐패시터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 승압형 컨버터를 위한 무손실 스너버 회로.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 인덕터 및 상기 제 3 인덕터는 상기 제 1 인덕터와 비교하여 감극성으로 권선된 것을 특징으로 하는 승압형 컨버터를 위한 무손실 스너버 회로.