KR20060055415A - Three level dc-dc converter using zero voltage and zero current switching - Google Patents

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KR20060055415A
KR20060055415A KR1020050110829A KR20050110829A KR20060055415A KR 20060055415 A KR20060055415 A KR 20060055415A KR 1020050110829 A KR1020050110829 A KR 1020050110829A KR 20050110829 A KR20050110829 A KR 20050110829A KR 20060055415 A KR20060055415 A KR 20060055415A
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배진용
김용
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학교법인 동국대학교
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Abstract

본 발명은 영전압-영전류 스위칭을 이용한 3 레벨 직류-직류 컨버터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 3 레벨 직류-직류 컨버터는, 역병렬 다이오드 및 캐패시터가 병렬로 각각 연결된 네개의 스위치 중 두 개의 스위치로 구성된 두 개의 스위치 집합체가 변압기 1차측에 각각 병렬로 연결되고, 변압기 2차측의 두 개의 탭에는 각각 제 1 및 제 2 정류 다이오드가 연결되며, 제 1 및 제 2 정류 다이오드에 연결된 평활용 인덕터를 통해 부하로 전류를 제공하는 3 레벨 직류-직류 컨버터로서, 평활용 인덕터와 자기적으로 결합하는 결합 인덕터, 평활용 인덕터와 제 1 보조 다이오드의 접점과 결합 인덕터의 일단 사이에 연결되는 보조 캐패시터, 평활용 인덕터와 부하의 접점과 결합 인덕터의 타단 사이에 연결되는 제 2 보조 다이오드, 결합 인덕터와 보조 캐패시터의 접점과 접지 사이에 연결되는 제 1 보조 다이오드, 및 제 1 다이오드와 평활용 인덕터의 접점과 접지 사이에 연결되는 환류 다이오드를 포함한다. 본 발명에 따르면, 도통 손실을 저감시켜 높은 효율을 달성할 수 있을 뿐만 아니라 능동 소자와 같은 고가의 소자를 포함하지 않아 저비용으로 구현할 수 있다.The present invention relates to a three-level DC-DC converter using zero voltage-zero current switching. In the three-level DC-DC converter according to the present invention, two switch assemblies composed of two switches of four switches in which an anti-parallel diode and a capacitor are connected in parallel are connected in parallel to the transformer primary side, respectively, Two-level, three-level DC-DC converters connected to the first and second rectifier diodes and providing current to the load through smooth inductors connected to the first and second rectifier diodes, respectively. A coupling inductor coupled to each other, an auxiliary capacitor connected between the contact of the smoothing inductor and the first auxiliary diode and one end of the coupling inductor, a second auxiliary diode connected between the contact of the smoothing inductor and the load and the other end of the coupling inductor, coupling A first auxiliary diode connected between the inductor and the auxiliary capacitor's contact and ground, and a smoothing with the first diode And a freewheeling diode that is connected between the emitter junction and ground. According to the present invention, not only high efficiency can be achieved by reducing conduction loss, but also low cost can be realized because no expensive devices such as active devices are included.

영전압 스위칭, 영전류 스위칭, 컨버터 Zero voltage switching, zero current switching, converter

Description

영전압-영전류 스위칭을 이용한 3 레벨 직류-직류 컨버터{Three Level DC-DC converter using Zero Voltage and Zero Current Switching}Three Level DC-DC converter using Zero Voltage and Zero Current Switching

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.The following drawings attached to this specification are illustrative of preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention to serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is a matter described in such drawings It should not be construed as limited to

도 1은 종래의 영전압 스위칭을 이용한 3 레벨 직류-직류 컨버터의 회로도.1 is a circuit diagram of a three-level DC-DC converter using conventional zero voltage switching.

도 2는 종래의 영전압-영전류 스위칭을 이용한 3 레벨 직류-직류 컨버터의 회로도.2 is a circuit diagram of a three-level DC-DC converter using conventional zero voltage-zero current switching.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 영전압-영전류 스위칭을 이용한 3 레벨 직류-직류 컨버터의 회로도.3 is a circuit diagram of a three-level DC-DC converter using zero voltage-zero current switching according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 컨버터의 작동시 주요 부분의 파형도.4 is a waveform diagram of a major part of the converter in accordance with an embodiment of the invention.

도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 실시예에 따른 컨버터의 작동 상태를 설명하는 회로도.5A to 5F are circuit diagrams illustrating an operating state of a converter according to an embodiment of the present invention.

도 6 및 도 7은 각각 도 1 및 도 2에 도시된 컨버터의 변압기 1차측의 전압과 전류 파형을 도시한 도면.6 and 7 show voltage and current waveforms of the transformer primary side of the converter shown in FIGS. 1 and 2, respectively.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 컨버터의 변압기 1차측의 전압과 전류 파형 을 도시한 도면.8 is a view showing the voltage and current waveform of the transformer primary side of the converter according to an embodiment of the present invention.

도 9 및 도 10은 각각 도 2에 도시된 컨버터 및 본 발명의 실시예에 따른 컨버터의 보조 캐패시터 전압과 전류 파형을 도시한 도면.9 and 10 illustrate auxiliary capacitor voltage and current waveforms of the converter shown in FIG. 2 and the converter according to the embodiment of the present invention, respectively.

도 11은 도 1 및 도 2에 도시된 컨버터의 효율과 본 발명의 실시예에 따른 컨버터의 효율을 비교한 그래프.11 is a graph comparing the efficiency of the converter shown in Figures 1 and 2 and the efficiency of the converter according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 직류-직류 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 영전압-영전류 스위칭을 이용한 3 레벨 직류-직류 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to a DC-DC converter, and more particularly, to a three-level DC-DC converter using zero voltage-zero current switching.

컨버터는 입력된 일정 전압을 승압, 감압시켜 원하는 전압으로 출력시키는 장치로서, 각종 전자 기기 내부를 구성하는 각 부품들이 대부분 직류 전압을 요구하기는 하나 그 요구값이 각각 차이가 나기 때문에 오늘날 매우 중요한 역할을 담당하고 있다.A converter is a device that boosts or depresses a certain input voltage and outputs it as a desired voltage. Today, each component constituting various electronic devices requires a DC voltage, but the requirements are very different. Is in charge of.

상기 컨버터 중 입력된 직류 전원을 다른 레벨의 직류 전원으로 변환하는 직류-직류 컨버터는 최근에 전력용 반도체 소자의 스위칭 동작을 이용하여 전력의 흐름을 제어함으로써 고효율, 고전력 밀도의 전원장치의 구현을 가능하게 하였다.The DC-DC converter converting the input DC power of the converter into a different level of DC power has recently realized a high efficiency and high power density power supply device by controlling the flow of power by using a switching operation of the power semiconductor device. It was made.

하지만, 전력용 반도체 소자의 스위칭 동작에서는 전압과 전류가 소자에 따라 일정한 지연과 기울기를 가지고 변화하기 때문에 스위치를 턴 온 또는 턴 오프시키게 되면 스위치에 전압과 전류가 동시에 가해지는 구간이 발생한다. 이 구간 동안에는 전압과 전류의 곱에 해당하는 스위칭의 전력 손실이 발생하는데 특히, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor: 이하 'IGBT'라고 한다) 같은 소자는 턴오프시에 스위치의 양단에 전압이 충분히 가해진 후에도 일정구간 동안 꼬리 전류가 흐르기 때문에 턴 오프시의 스위칭 손실이 발생한다. 그리고, 상기 스위칭 손실은 소자가 개폐되는 주파수에 비례해서 증가하기 때문에 소자의 최대 스위칭 주파수를 제한하는 요소가 된다. 따라서, 전력용 반도체 소자의 스위칭 손실을 줄이고 고주파의 스위칭을 위해 영전압 상태에서 스위칭을 하는 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching) 방안이 제시되었다.However, in the switching operation of the power semiconductor device, since the voltage and the current change with a constant delay and slope according to the device, when the switch is turned on or off, a section in which the voltage and the current are simultaneously applied to the switch occurs. During this period, the power loss of the switching, which is the product of voltage and current, occurs. In particular, devices such as Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) have a voltage across the switch at turn-off. Even after being sufficiently applied, the tail current flows for a period of time, resulting in switching losses at turn-off. In addition, the switching loss increases in proportion to the frequency at which the device is opened and closed, thereby limiting the maximum switching frequency of the device. Accordingly, a zero voltage switching scheme for switching in a zero voltage state to reduce switching loss of a power semiconductor device and to switch high frequency has been proposed.

도 1은 종래의 영전압 스위칭을 이용한 3 레벨 직류-직류 컨버터 회로도이다. 도 1을 참조하면, 컨버터는 변압기(Tr), 상기 변압기(Tr)의 1차측에 연결되며 스위치(S1,S2,S3,S4)를 포함한 3 레벨 스위치단(10), 및 상기 변압기(Tr)의 2차측에 연결되며 정류소자(Dr1,Dr2)와 보조회로(20)를 포함한 출력단(30)을 구비한다.1 is a circuit diagram of a three level DC-DC converter using conventional zero voltage switching. Referring to FIG. 1, a converter is connected to a transformer Tr, a primary side of the transformer Tr, and a three level switch stage 10 including switches S1, S2, S3, and S4, and the transformer Tr. It is connected to the secondary side of the output terminal 30 including the rectifying elements (Dr1, Dr2) and the auxiliary circuit (20).

상기 3 레벨 스위치단(10)은 IGBT로 이루어진 4개의 스위치(S1,S2,S3,S4), 4개의 스위치(S1,S2,S3,S4)의 에미터와 컬렉터 사이에 각각 연결된 역병렬 다이오드(D1,D2,D3,D4) 및 충방전용 캐패시터(C1,C2,C3,C4), 스위치에 의해 출력되는 전압 레벨의 균형을 위해 S2의 컬렉터와 S3의 이미터 사이에 연결되는 플라잉 캐패시터(Css), 서로 직렬로 연결되고 플라잉 캐패시터(Css)에는 병렬로 연결된 다이오드(Dc1,Dc2), 및 입력 전원(Vin)에 병렬로 연결되어 입력 전원(Vin)을 분압하는 캐패시터(Cin1,Cin2)를 구비한다.The three-level switch stage 10 includes an anti-parallel diode connected between emitters and collectors of four switches S1, S2, S3, and S4 made of IGBTs and four switches S1, S2, S3, and S4, respectively. D1, D2, D3, D4) and charging / discharging capacitors (C1, C2, C3, C4), and flying capacitors (Css) connected between the collector of S2 and the emitter of S3 to balance the voltage levels output by the switch. In addition, the flying capacitors Css are connected to each other in series and have diodes Dc1 and Dc2 connected in parallel, and capacitors Cin1 and Cin2 connected in parallel to the input power source Vin to divide the input power supply Vin. .

출력단(30)은 변압기(Tr) 2차측의 두 개의 탭에 각각 연결되어 변압기(Tr)에 서 유도되는 전류를 정류하는 정류소자(Dr1,Dr2)와 상기 정류소자(Dr1,Dr2)에 연결된 보조회로(20)를 포함한다. 상기 보조회로(20)는 상기 정류소자(Dr1,Dr2)에 의해 정류된 전류를 평활시켜 부하(RL)로 전력을 공급하도록 상기 정류소자(Dr1,Dr2)의 출력단자와 접지사이에 연결된 평활용 인덕터(Lo)와 평활용 캐패시터(Co)로 이루어진 평활용 필터와 상기 정류소자(Dr1,Dr2)와 상기 평활용 필터에 병렬로 연결되어 출력단(30)의 전류를 환류시키는 환류 다이오드(Dw)를 포함한다.The output terminal 30 is connected to two taps on the secondary side of the transformer Tr, respectively, and rectifies the currents induced by the transformer Tr, respectively, rectifiers Dr1 and Dr2 and auxiliary devices connected to the rectifiers Dr1 and Dr2. Circuit 20. The auxiliary circuit 20 is connected between the output terminal of the rectifying elements Dr1 and Dr2 and ground to smooth the current rectified by the rectifying elements Dr1 and Dr2 to supply power to the load R L. A smoothing filter comprising a utilization inductor Lo and a smoothing capacitor Co, and a reflux diode Dw connected to the rectifying elements Dr1 and Dr2 and the smoothing filter in parallel to reflux the current of the output terminal 30. It includes.

상기와 같이 구성된 종래의 DC-DC 컨버터의 동작을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the conventional DC-DC converter configured as described above are as follows.

스위치 제어부(미도시)는 3 레벨 스위치단(10)의 스위치(S1,S2,S3,S4)들의 온/오프 동작을 제어하는 것에 의해, 스위치(S1,S2,S3,S4)를 3가지 모드[(1) S1 및 S2: 턴-온, S3 및 S4: 턴-오프 (2) S2 및 S3: 턴-온, S1 및 S4: 턴-오프 (3) S3 및 S4: 턴-온, S1 및 S2: 턴-오프]로 동작시킨다. 스위치 제어부(미도시)에 의해 스위치를 전술한 바와 같이 3가지 모드로 동작시켜 변압기(Tr)의 1차측으로 전류를 인가하면, 변압기에 의해 일정한 비율로 증가 또는 감소된 전류가 2차측에 유도된다. 유도된 전류는 정류소자(Dr1,Dr2)에 의해 정류되고 평활용 필터를 통해 리플이 제거되어 직류전압이 부하로 출력된다.The switch control unit (not shown) controls the on / off operation of the switches S1, S2, S3, and S4 of the three-level switch stage 10 to operate the switches S1, S2, S3, and S4 in three modes. [(1) S1 and S2: turn-on, S3 and S4: turn-off (2) S2 and S3: turn-on, S1 and S4: turn-off (3) S3 and S4: turn-on, S1 and S2: turn off]. When the switch is operated by the switch control unit (not shown) in three modes as described above to apply current to the primary side of the transformer Tr, the current is increased or decreased at a constant rate by the transformer to the secondary side. . The induced current is rectified by the rectifier elements Dr1 and Dr2, and the ripple is removed through the smoothing filter so that a DC voltage is output to the load.

영전압 스위칭은 스위치(S1,S2,S3,S4)와 역병렬로 연결된 다이오드(D1,D2,D3,D4)가 전류에 의해 도통되어 스위치(S1,S2,S3,S4) 양단의 전압이 영이 된 후 턴-온하는 방식이다. 하지만, 스위치가 턴-온 할 때에는 손실이 발생하지 않으나 스위치가 턴-오프할 때에는 손실이 발생할 수 있다. 따라서, 도 1에 도시한 바와 같이, 스위치의 양단에 캐패시터(C1,C2,C3,C4)를 연결하여 전압증가 속도를 저하시킴으로써 스위치가 턴-오프할 때의 손실을 줄였다.In the zero voltage switching, the diodes D1, D2, D3, and D4 connected in parallel with the switches S1, S2, S3, and S4 are conducted by current, so that the voltage across the switches S1, S2, S3, and S4 is zero. It turns on after being turned on. However, no loss occurs when the switch is turned on, but loss may occur when the switch is turned off. Therefore, as shown in FIG. 1, the capacitors C1, C2, C3, and C4 are connected to both ends of the switch to decrease the voltage increase rate, thereby reducing the loss when the switch is turned off.

하지만, 영전압 스위칭을 이용한 종래의 컨버터는 변압기(Tr) 1차측의 누설 인덕턴스(L1k)의 에너지와 출력측 평활용 인덕터(Lo)에 의해 1차측으로 반영된 에너지에 의해 1차측으로 전류가 환류하여 컨버터의 도전 손실이 증가하는 문제가 있다.However, in the conventional converter using zero voltage switching, the current is returned to the primary side by the energy of the leakage inductance L1k at the primary side of the transformer Tr and the energy reflected to the primary side by the output smoothing inductor Lo, thereby converting the current to the primary side. There is a problem of increasing the conductive loss.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 영전압-영전류 스위칭(Zero Voltage and Zero Current Switching) 방법이 제안되었다.In order to solve this problem, a zero voltage and zero current switching method has been proposed.

도 2는 종래의 영전압-영전류 스위칭을 이용한 3 레벨 직류-직류 컨버터 회로도이다. 도 2를 참조하면, 도 2에 도시된 컨버터는 도 1에 도시된 컨버터의 보조회로(20)에서 환류 다이오드(Dw)와 평활용 필터(Lo, Co) 사이에 보조 캐패시터(Ca)와 제 1 및 제 2 다이오드(Dh, Dc)로 이루어진 병렬회로를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 제 2 다이오드(Dc)는 상기 보조 캐패시터(Ca)와 제 1 다이오드(Dh) 사이의 접점과, 상기 평활용 인덕터(Lo)와 평활용 캐패시터(Co) 사이의 접점 사이에 배치된다.2 is a circuit diagram of a three level DC-DC converter using conventional zero voltage-zero current switching. Referring to FIG. 2, the converter shown in FIG. 2 includes a first capacitor Ca and a first capacitor between the flyback diode Dw and the smoothing filters Lo and Co in the auxiliary circuit 20 of the converter shown in FIG. 1. And a parallel circuit composed of second diodes Dh and Dc. The second diode Dc is disposed between the contact between the auxiliary capacitor Ca and the first diode Dh and the contact between the smoothing inductor Lo and the smoothing capacitor Co.

상기 보조 캐패시터(Ca)는 평활용 인덕터(Lo)와의 공진을 통해 변압기 2차측으로 전류를 환류시켜 컨버터의 도전 손실을 저감시키는 한편, 변압기 1차측에 전류가 흐르지 않도록 하여 영전류 조건에서 스위치를 턴-온 시킴으로써 스위칭 손실을 저감시킨다.The auxiliary capacitor Ca turns the switch under zero current conditions by reducing the conduction loss of the converter by refluxing the current to the secondary side of the transformer through resonance with the smoothing inductor Lo, while preventing current from flowing through the primary side of the transformer. Switch-on reduces switching losses.

그러나, 상술한 종래의 영전압, 영전류 3레벨 DC-DC 컨버터(도 2 참조)의 경 우는 소프트 스위칭 동작영역이 안정적으로 확보되지 않고, 2차측 정류기의 역회복 손실이 존재하고, 순환 전류로 인해 주회로 소자의 도통 손실과 변압기 손실이 발생되는 문제를 안고 있다.However, in the conventional zero-voltage, zero-current three-level DC-DC converter (see FIG. 2) described above, the soft switching operation area is not secured stably, and there is a reverse recovery loss of the secondary rectifier. Due to this, there is a problem of loss of conduction and transformer loss of the main circuit elements.

본 발명의 목적은 기존의 영전압-영전류 스위칭을 이용한 3 레벨 직류-직류 컨버터를 개선하여 저비용으로 고밀도, 고효율을 가지는 직류-직류 컨버터를 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to improve a conventional three-level DC-DC converter using zero voltage-zero current switching to provide a DC-DC converter having a high density and high efficiency at a low cost.

상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 양태에 따른 3 레벨 직류-직류 컨버터는 역병렬 다이오드 및 캐패시터가 병렬로 각각 연결된 네개의 반도체 스위치 중 두 개의 스위치로 구성된 두 개의 스위치 집합체가 변압기 1차측에 각각 병렬로 연결되고, 상기 변압기 2차측의 두 개의 탭에는 각각 제 1 및 제 2 정류 다이오드가 연결되며, 상기 제 1 및 제 2 정류 다이오드와 부하 사이에 평활용 보조회로를 포함한다.In order to achieve the above object, in a three-level DC-DC converter according to an aspect of the present invention, two switch assemblies composed of two switches among four semiconductor switches in which an anti-parallel diode and a capacitor are connected in parallel, respectively, have a transformer primary side. Are connected in parallel to each other, and the first and second rectifier diodes are respectively connected to the two tabs of the secondary side of the transformer, and a smoothing auxiliary circuit is provided between the first and second rectifier diodes and the load.

이때, 상기 평활용 보조회로는, 상기 제 1 및 제 2 정류 다이오드에 의해 정류된 전압신호를 평활화시키기 위한 평활용 필터; (이 평활용 필터는 평활용 인덕터와 평활용 커패시터로 이루어지고) 상기 평활용 인덕터와 자기적으로 결합되는 결합 인덕터; 상기 변압기 1차측의 누설 인덕터 및 상기 결합 인덕터와 결합되어 공진을 유발하는 보조 캐패시터; 상기 보조 캐패시터의 방전시 상기 부하측으로 전류를 환류시키는 환류 다이오드를 포함한다.In this case, the smoothing auxiliary circuit may include: a smoothing filter for smoothing the voltage signal rectified by the first and second rectifying diodes; A coupling inductor (composed of the smoothing inductor and the smoothing capacitor) magnetically coupled to the smoothing inductor; An auxiliary capacitor coupled to the leakage inductor of the transformer primary side and the coupling inductor to cause resonance; It includes a reflux diode for refluxing the current to the load side during the discharge of the auxiliary capacitor.

또한, 본 발명의 컨버터는 상기 보조 캐패시터와 접지 사이에 제 1 보조 다이오드와, 상기 결합 인덕터와 상기 평활용 커패시터 사이에 제 2 보조 다이오드를 더 포함한다.The converter further includes a first auxiliary diode between the auxiliary capacitor and ground, and a second auxiliary diode between the coupling inductor and the smoothing capacitor.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.

도 3은 본 발명에 따른 영전압-영전류 스위칭을 이용한 3 레벨 직류-직류 컨버터의 회로도이다.3 is a circuit diagram of a three-level DC-DC converter using zero voltage-zero current switching according to the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 컨버터는 변압기(Tr)를 통해 자기적으로 커플링되는 1차측 입력단(10)과 2차측 출력단(30)을 포함한다.Referring to FIG. 3, the converter of the present invention includes a primary input terminal 10 and a secondary output terminal 30 that are magnetically coupled through a transformer Tr.

상기 1차측 입력단(10)은 네개의 반도체 스위칭소자(S1,S2,S3,S4)로 이루어진 3 레벨 스위치단과, 상기 변압기(Tr)의 1차측 코일에 전기 에너지를 공급하는 입력 전원(Vin)과, 상기 입력 전원(Vin)과 상기 3레벨 스위치단 사이에 병렬로 결합되어 입력 전원(Vin)을 분압하는 분압 캐패시터(Cin1, Cin2)와, 상기 스위칭소자 S2의 컬렉터와 스위칭소자 S3의 이미터 사이에서 서로 병렬로 결합되는 플라잉 캐패시터(Css) 및 다이오드(Dc1, Dc2)를 포함한다.The primary input terminal 10 includes a three level switch stage consisting of four semiconductor switching elements S1, S2, S3, and S4, an input power supply Vin for supplying electrical energy to the primary coil of the transformer Tr, and And a divided capacitor Cin1 and Cin2 coupled in parallel between the input power Vin and the three-level switch stage to divide the input power Vin, and between the collector of the switching element S2 and the emitter of the switching element S3. It includes flying capacitors (Css) and diodes (Dc1, Dc2) coupled in parallel to each other at.

또한, 상기 3 레벨 스위치단은 IGBT로 이루어진 4개의 스위칭소자(S1,S2,S3,S4), 이 4개의 스위칭소자(S1,S2,S3,S4)의 에미터와 컬렉터 사이에 각각 연결되는 역병렬 다이오드(D1,D2,D3,D4) 및 충방전용 캐패시터(C1,C2,C3,C4)로 이루어진다.In addition, the three-level switch stage has four switching elements (S1, S2, S3, S4) made of IGBT, and inversely connected between emitters and collectors of the four switching elements (S1, S2, S3, S4). It consists of the parallel diodes D1, D2, D3, D4 and charge / discharge capacitors C1, C2, C3, C4.

상기 2차측 출력단(30)은 상기 변압기(Tr)의 2차측 코일의 두 개의 탭에 각각 연결되어, 2차측에 유도되는 전류를 정류하는 정류소자(Dr1,Dr2)와 상기 정류소자(Dr1,Dr2)에 의해 정류된 직류 전압을 부하(RL)에 전달하는 보조회로(20)를 포함한다.The secondary output terminal 30 is connected to two taps of the secondary coil of the transformer Tr, respectively, to rectify currents induced in the secondary side Dr1 and Dr2 and the rectifying elements Dr1 and Dr2. Auxiliary circuit 20 for transmitting the rectified DC voltage to the load (R L ).

상기 보조회로(20)는 다시 상기 정류소자(Dr1,Dr2)에 의해 정류된 전류를 평활시켜 리플을 제거한 후 부하(RL)로 공급하기 위하여 상기 정류소자(Dr1,Dr2)의 출력단자와 접지사이에 연결되는 평활용 필터와, 상기 정류소자(Dr1,Dr2)와 상기 평활용 필터 사이에 병렬로 연결되어 상기 출력단(30)의 전류를 환류시키는 환류 다이오드(Dw)를 포함한다.The auxiliary circuit 20 again smoothes the current rectified by the rectifying elements Dr1 and Dr2 to remove the ripple, and then supplies an output terminal and ground of the rectifying elements Dr1 and Dr2 to supply the load R L. A smoothing filter connected therebetween, and a reflux diode Dw connected in parallel between the rectifying elements Dr1 and Dr2 and the smoothing filter to reflux the current of the output terminal 30.

또한, 상기 평활용 필터는 보조 캐패시터(Ca), 평활용 결합 인덕터(Lc1, Lc2), 평활용 캐패시터(Co), 제 1 및 제 2 보조다이오드(Da1, Da2)로 구성된다. 상기 1차측 결합 인덕터(Lc1)와 평활용 캐패시터(Co)는 서로 병렬 연결되어 있고, 보조 캐패시터(Ca), 2차측 결합 인덕터(Lc2), 제 1 및 제 2 보조다이오드(Da1, Da2) 로 구성되는 지선 역시 상기 1차측 결합 인덕터(Lc1) 및 평활용 캐패시터(Co)와 병렬로 연결되어 있다. 특히, 상기 2차측 결합 인덕터(Lc2)와 제 2 보조다이오드(Da2)가 직렬로 구성되는 지선은 상기 보조 캐패시터(Ca)와 제 1 보조다이오드(Da1) 사이의 접점과, 상기 1차측 결합 인덕터(Lc1)와 평활용 캐패시터(Co) 사이의 접점 사이에 배치된다.In addition, the smoothing filter includes an auxiliary capacitor Ca, a smooth coupling inductor Lc1 and Lc2, a smoothing capacitor Co, and first and second auxiliary diodes Da1 and Da2. The primary coupling inductor Lc1 and the smoothing capacitor Co are connected in parallel to each other, and are composed of an auxiliary capacitor Ca, a secondary coupling inductor Lc2, and first and second auxiliary diodes Da1 and Da2. The branch line is also connected in parallel with the primary coupling inductor Lc1 and the smoothing capacitor Co. In particular, the branch line where the secondary side coupling inductor Lc2 and the second auxiliary diode Da2 are configured in series includes a contact point between the auxiliary capacitor Ca and the first auxiliary diode Da1 and the primary coupling inductor ( It is arranged between the contacts between Lc1) and the smoothing capacitor Co.

즉, 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터는 기존의 DC/DC 컨버터와는 달리 2차측 출력단에 평활용의 결합 인덕터(Lc1, Lc2)를 더 포함하고 있는 것이 특징이다. 따라서, 본 발명의 컨번터는 1차측의 누설 인덕터(L1k), 2차측의 보조 캐패시터(Ca) 및 2차측의 결합 인덕터(Lc2)가 상호 공진을 일으킴으로써 기존의 컨버터에 비하여 고밀도, 고효율의 특성을 구현할 수 있다.That is, the DC / DC converter according to the present invention, unlike the conventional DC / DC converter is characterized in that it further comprises a coupling inductor (Lc1, Lc2) for smoothing in the secondary output terminal. Therefore, the converter of the present invention exhibits high-density and high-efficiency characteristics compared to conventional converters by mutual resonance between the leakage inductor L1k on the primary side, the auxiliary capacitor Ca on the secondary side, and the coupling inductor Lc2 on the secondary side. Can be implemented.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 컨버터의 동작을 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.Referring to Figures 4 and 5 the operation of the converter according to the present invention configured as described above is as follows.

(1) 모드 1(t0<t<t1): 도 5a에 도시된 바와 같이, 스위칭소자 S1 및 S2가 턴 온됨에 따라, 입력 전력이 출력측으로 전달되고, 2차측의 보조 캐패시터(Ca)는 결합 인덕터(Lc2), 제 2 보조다이오드(Da2)를 통해 충전된다. 상기 보조 캐패시터(Ca)는 1차측의 누설 인덕터(L1k), 2차측의 결합 인덕터(Lc2)와 공진을 일으키므로 도전 손실을 저감시킬 수 있다. 이 모드의 끝에서 보조 캐패시터(Ca)는 최대값으로 충전되고, 이에 따라 보조 캐패시터(Ca)로는 전류가 흐르지 않게 된다. 보조 캐패시터(Ca)의 전압(VCa) 및 전류(ICa)는 아래의 수학식 1과 같다.(1) Mode 1 (t 0 <t <t 1 ): As shown in FIG. 5A, as switching elements S1 and S2 are turned on, input power is transferred to the output side, and the secondary capacitor Ca of the secondary side is provided. Is charged through the coupling inductor Lc2 and the second auxiliary diode Da2. The auxiliary capacitor Ca causes resonance with the leakage inductor L1k on the primary side and the coupling inductor Lc2 on the secondary side, so that the conductive loss can be reduced. At the end of this mode, the auxiliary capacitor Ca is charged to its maximum value, so that no current flows into the auxiliary capacitor Ca. The voltage V Ca and the current I Ca of the auxiliary capacitor Ca are shown in Equation 1 below.

Figure 112005066536050-PAT00001
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Figure 112005066536050-PAT00002
Figure 112005066536050-PAT00002

(여기서, Vs : 변압기 2차측 전압, ωs: 각주파수, n: 변압기의 권선비(N1/N2), Vo: 평활용 커패시터 Co의 양단 전압, Ca : 보조 커패시턴스, L1k : 누설 인덕턴스)Where Vs is the transformer secondary voltage, ω s is the angular frequency, n is the winding ratio of the transformer (N 1 / N 2 ), Vo is the voltage across the smoothing capacitor Co, Ca is the auxiliary capacitance, and L 1k is the leakage inductance.

(2) 모드 2(t1<t<t2): 도 5b에 도시된 바와 같이, 스위치 S1이 턴-오프되면 변압기의 1차측 전류는 변압기의 1차측 인덕턴스에 의해 계속적인 흐름을 유지하려 한다. 따라서, 스위치 S1의 C1과 스위치 S4의 C4가 충전되고, 스위치 S4의 내장 다이오드(D4)가 도통되기 때문에 스위치 S4는 영전압 스위칭 상태가 된다. 이때, 상기 변압기(Tr)의 1차측 전압(Vab)은 다음과 같다.(2) Mode 2 (t 1 <t <t 2 ): As shown in FIG. 5B, when switch S1 is turned off, the primary side current of the transformer attempts to maintain continuous flow by the primary side inductance of the transformer. . Therefore, since switch C1 of switch S1 and C4 of switch S4 are charged, and the built-in diode D4 of switch S4 is conducted, switch S4 is in a zero voltage switching state. At this time, the primary voltage V ab of the transformer Tr is as follows.

Figure 112005066536050-PAT00003
Figure 112005066536050-PAT00003

(여기서, n: 변압기의 권선비(N1/N2), Io: 출력 전류, C1 : 스위치 S1의 기생 커패시턴스, C4 : 스위치 S4의 기생 커패시턴스)Where n is the winding ratio of the transformer (N 1 / N 2 ), Io is the output current, C1 is the parasitic capacitance of switch S1, and C4 is the parasitic capacitance of switch S4.

한편, 변압기의 2차측의 전류를 살펴보면 여전히 변압기의 2차측의 전압이 보조 캐패시터(Ca)에 충전된 전압보다 크므로 변압기(Tr) 2차측의 제 1 보조 다이오드(Da1)는 턴-오프 상태가 유지되고, 보조 캐패시터(Ca)로는 전류가 흐르지 않는다. 반면에, 결합 인덕터(Lc1), 부하(RL) 및 환류 다이오드(Dw)를 통해서는 전류가 흐르게 된다.On the other hand, when looking at the current on the secondary side of the transformer, since the voltage on the secondary side of the transformer is still greater than the voltage charged in the auxiliary capacitor Ca, the first auxiliary diode Da1 on the secondary side of the transformer Tr is turned off. It is maintained and no current flows through the auxiliary capacitor Ca. On the other hand, current flows through the coupling inductor Lc1, the load R L , and the freewheeling diode Dw.

(3) 모드 3(t2<t<t3): 도 5c에 도시된 바와 같이, 스위치 S4가 영전압 스위칭 조건에서 턴-온되고, 변압기 1차측에 흐르는 전류는 분압 캐패시터 Dc1을 통하여 계속적인 흐름을 유지한다. 변압기의 1차측에서 2차측으로 전달되는 전력이 감소하기 때문에 2차측의 보조 캐패시터(Ca)의 충전 에너지가 제 1 보조 다이오드(Da1)를 통하여 방전된다. 이 모드의 끝에서 1차측 전류는 거의 0이 된다.(3) Mode 3 (t 2 <t <t 3 ): As shown in Fig. 5C, the switch S4 is turned on in the zero voltage switching condition, and the current flowing to the transformer primary side is continuously continued through the voltage divider capacitor Dc1. Keep the flow Since the power transmitted from the primary side to the secondary side of the transformer is reduced, the charging energy of the auxiliary capacitor Ca on the secondary side is discharged through the first auxiliary diode Da1. At the end of this mode, the primary side current is nearly zero.

(4) 모드 4(t3<t<t4): 도 5d에 도시된 바와 같이, 모드 3에서 줄어든 변압기 1차측의 전류는 영이 된다. 그러나, 2차측에서는 일정한 부하 전류를 공급하기 위해, 2차측의 보조 캐패시터(Ca)가 완전히 방전하여 전압이 영이 될 때까지 제 1 보조 다이오드(Da1)를 통해 부하 전류를 공급하고, 동시에 2차측의 결합 인덕터(Lc1)는 환류 다이오드(Dw)를 통해 부하 전류를 공급한다. 이때, 보조 캐패시터(Ca)의 양단 전압(Vca)은 다음과 같다.(4) Mode 4 (t 3 <t <t 4 ): As shown in Fig. 5D, the current on the transformer primary side reduced in mode 3 becomes zero. However, on the secondary side, in order to supply a constant load current, the secondary capacitor Ca on the secondary side is supplied with a load current through the first auxiliary diode Da1 until the voltage becomes zero and at the same time, coupling inductor (Lc1) supplies a load current through a freewheeling diode (Dw). At this time, the voltage Vca at both ends of the auxiliary capacitor Ca is as follows.

Figure 112005066536050-PAT00004
Figure 112005066536050-PAT00004

(여기서, Io : 출력 전류, Ca : 보조 커패시턴스, Vβ : 모드 3의 시간 t3에서 변압기 2차측 전압)(Where, Io: output current, Ca: auxiliary capacitance, V β : transformer secondary side voltage at time t 3 of mode 3)

(5) 모드 5(t4<t<t5): 도 5e에 도시된 바와 같이, 변압기 1차측에 전류가 흐르지 않으므로 영전류 조건에서 스위치 S2가 턴-오프된다. 변압기 2차측에서는, 보조 캐패시터(Ca)가 완전히 방전되고, 부하 전류는 결합 인덕터(Lc1)와 환류 다이오드(Dw)를 거쳐 환류된다.(5) Mode 5 (t 4 <t <t 5 ): As shown in FIG. 5E, since no current flows in the transformer primary side, the switch S2 is turned off in the zero current condition. On the secondary side of the transformer, the auxiliary capacitor Ca is completely discharged, and the load current is refluxed via the coupling inductor Lc1 and the freewheeling diode Dw.

(6) 모드 6(t5<t<t6): 도 5f에 도시된 바와 같이, 스위치 S3가 영전류 스위칭 조건에서 턴-온되고, 1차측의 전류는 누설 인덕턴스(L1k)에 의해 급격하게 증가하지 않는다. 따라서, 1차측의 전류는 선형적으로 증가하고 1차측의 전류에 의해 2차측에 전류가 유도되어 2차측의 환류 모드는 종료하게 된다.(6) Mode 6 (t 5 <t <t 6 ): As shown in Fig. 5F, the switch S3 is turned on in the zero current switching condition, and the current on the primary side is suddenly caused by the leakage inductance L1k. Does not increase. Therefore, the current on the primary side increases linearly and current is induced on the secondary side by the current on the primary side, thereby ending the reflux mode on the secondary side.

도 4를 참조하면, 모드 6이 종료되면 S3 및 S4가 턴-온된 상태에서, 상술한 단계를 반복하게 된다. 본 발명에 따른 컨버터는 상기와 같은 동작을 통해 도 4에 도시된 바와 같은 소정 레벨로 정류된 직류 전원(Vrec)을 출력한다.Referring to FIG. 4, when the mode 6 ends, the above-described steps are repeated in the state where S3 and S4 are turned on. The converter according to the present invention outputs the DC power supply rectified to a predetermined level as shown in FIG. 4 through the above operation.

또한, 본 발명자는 50㎑, 1㎾ 영전압-영전류 스위칭을 이용한 3 레벨 직류-직류 컨버터를 제작하여 실험하였다.In addition, the present inventors fabricated and tested a three-level DC-DC converter using 50 kV, 1 kV zero-voltage-current switching.

도 6 및 도 7에는 각각 도 1 및 도 2에 도시된 컨버터의 변압기 1차측의 전압(Vab)과 전류(Ip) 파형이 도시되어 있고, 도 8에는 본 발명의 실시예에 따른 컨버터의 변압기 1차측의 전압과 전류 파형이 도시되어 있다.6 and 7 show the voltage V ab and current I p waveforms of the transformer primary side of the converter shown in FIGS. 1 and 2, respectively, and FIG. 8 shows the converter according to the embodiment of the present invention. The voltage and current waveforms of the transformer primary side are shown.

도 6 내지 도 8을 비교하면, 도 1 및 도 2에 도시된 종래의 컨버터가 일부 구간에만 공진이 발생하는 것과 달리 본 발명에 따른 컨버터는 변압기를 통해 에너지를 전달하는 전 영역에 걸쳐 공진이 발생하기 때문에 효율이 향상되었음을 확인 할 수 있었다.6 to 8, in contrast to the conventional converter shown in FIGS. 1 and 2, in which resonance occurs only in a partial section, the converter according to the present invention generates resonance over an entire area for transmitting energy through a transformer. Because it was confirmed that the efficiency was improved.

도 9 및 도 10에는 각각 도 2에 도시된 컨버터 및 본 발명의 실시예에 따른 컨버터의 보조 캐패시터의 전압(VCa)과 전류(ICa) 파형이 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 도 2에 도시된 종래의 컨버터에서는 보조 캐패시터(Ca)의 전압이 클램핑되고 단지 일부 구간에서만 보조 캐패시터(Ca)의 충·방전이 이루어지나, 본 발명에 따른 컨버터는 전구간에 걸쳐 보조 캐패시터(Ca)의 충·방전이 이루어지므로 더 많은 에너지를 부하측으로 전달할 수 있음을 확인 할 수 있었다.9 and 10 illustrate the voltage V Ca and current I Ca waveforms of the converter shown in FIG. 2 and the auxiliary capacitor of the converter according to the embodiment of the present invention, respectively. Referring to the drawings, in the conventional converter shown in FIG. 2, the voltage of the auxiliary capacitor Ca is clamped, and the charging and discharging of the auxiliary capacitor Ca is performed only in some sections. Since the charging and discharging of the auxiliary capacitor Ca is performed, it can be confirmed that more energy can be transferred to the load side.

도 11은 도 1 및 도 2에 도시된 컨버터의 효율과 본 발명의 실시예에 따른 컨버터의 효율을 비교한 그래프이다. 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 컨버터는 종래의 컨버터와 비교하여 전 부하영역에 걸쳐 우수한 효율을 지니고 있다.FIG. 11 is a graph comparing the efficiency of the converter shown in FIGS. 1 and 2 with the efficiency of the converter according to the embodiment of the present invention. Referring to the drawings, the converter according to the present invention has excellent efficiency over the entire load region compared to the conventional converter.

이상과 같은 기술적 구성에 의해 본 발명의 기술적 과제는 달성되며, 본 발명이 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.The technical problem of the present invention is achieved by the above technical configuration, and although the present invention has been described by the limited embodiments and the drawings, the present invention is not limited by this and the general knowledge in the technical field to which the present invention belongs. It is apparent that various modifications and variations can be made by those skilled in the art within the scope of the technical spirit of the present invention and the claims to be described below.

본 발명에 따른 영전압-영전류 스위칭을 이용한 3 레벨 직류-직류 컨버터는 도통 손실을 저감시켜 높은 효율을 달성할 수 있을 뿐만 아니라 능동 소자와 같은 고가의 소자를 포함하지 않아 저비용으로 구현할 수 있다.The three-level DC-DC converter using zero voltage-zero current switching according to the present invention can achieve high efficiency by reducing conduction loss and can be implemented at low cost because it does not include expensive devices such as active devices.

Claims (3)

역병렬 다이오드 및 캐패시터가 병렬로 각각 연결된 네개의 반도체 스위치 중 두 개의 스위치로 구성된 두 개의 스위치 집합체가 변압기 1차측에 각각 병렬로 연결되고, 상기 변압기 2차측의 두 개의 탭에는 각각 제 1 및 제 2 정류 다이오드가 연결되며, 상기 제 1 및 제 2 정류 다이오드와 부하 사이에 평활용 보조회로를 포함하는 3 레벨 직류-직류 컨버터에 있어서, 상기 평활용 보조회로는Two switch assemblies consisting of two of the four semiconductor switches in which the anti-parallel diode and the capacitor are connected in parallel are respectively connected in parallel to the transformer primary side, and the two taps of the transformer secondary side are respectively the first and second In a three-level DC-DC converter having a rectifying diode connected, and comprising a smoothing auxiliary circuit between the first and second rectifying diodes and the load, the smoothing auxiliary circuit is 상기 제 1 및 제 2 정류 다이오드에 의해 정류된 전압신호를 평활화시키기 위한 평활용 필터; (이 평활용 필터는 평활용 인덕터와 평활용 커패시터로 이루어지고)A smoothing filter for smoothing the voltage signal rectified by the first and second rectifying diodes; (This smoothing filter consists of a smoothing inductor and a smoothing capacitor) 상기 평활용 인덕터와 자기적으로 결합되는 결합 인덕터;A coupling inductor magnetically coupled to the smoothing inductor; 상기 변압기 1차측의 누설 인덕터 및 상기 결합 인덕터와 결합되어 공진을 유발하는 보조 캐패시터;An auxiliary capacitor coupled to the leakage inductor of the transformer primary side and the coupling inductor to cause resonance; 상기 보조 캐패시터의 방전시 상기 부하측으로 전류를 환류시키는 환류 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 영전압-영전류 스위칭을 이용한 3 레벨 직류-직류 컨버터.And a reflux diode for refluxing the current to the load side when the auxiliary capacitor is discharged. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 보조 캐패시터와 접지 사이에 제 1 보조 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영전압-영전류 스위칭을 이용한 3 레벨 직류-직류 컨버터.And a first auxiliary diode between the auxiliary capacitor and the ground. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 결합 인덕터와 상기 평활용 커패시터 사이에 제 2 보조 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영전압-영전류 스위칭을 이용한 3 레벨 직류-직류 컨버터.And a second auxiliary diode between the coupling inductor and the smoothing capacitor.
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