KR20070057868A

KR20070057868A - 무손실 스너버를 갖는 바이폴라 파워 서플라이

Info

Publication number: KR20070057868A
Application number: KR1020077006913A
Authority: KR
Inventors: 브라이스 엘. 헤스터만; 밀란 일릭; 안드레이 비. 말리닌
Original assignee: 어드밴스드 에너지 인더스트리즈 인코포레이티드
Priority date: 2004-08-30
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2007-06-07
Also published as: TW200623597A; JP2008512082A; EP1794874A4; EP1794874A1; WO2006031427A1; CN101048931A

Abstract

본 발명에 의하면, 전압변환비를 구속하지 않는 무손실 스너버 회로로 스너브되는 스택형 정류기를 갖는 고출력 고전압 응용에 적합한 절연된 파워 컨버터가 제공된다.

전압변환비, 무손실 스너버 회로, 스택형 정류기, 절연된 파워 컨버터

Description

무손실 스너버를 갖는 바이폴라 파워 서플라이{BIPOLAR POWER SUPPLY WITH LOSSLESS SNUBBER}

본 발명은 스위칭 모드 파워 컨버터에 관한 것으로, 특히 플라즈마 처리와 같은 대전력 및 고전압 응용에 적합한 절연된 dc 파워 컨버터에 관한 것이다.

변압기 권선의 출력이 인덕터에 의해 정류되고 필터링되는 dc 파워 컨버터의 공통적인 문제는, 정류기 다이오드의 역회복시 각종 회로 인덕턴스로 생성된 에너지에 의해, 정류기 다이오드가 오프되고 저장된 유도성 에너지가 방출될 때 변압기 권선에서 발생하는 전압 오버슛으로부터 다이오드가 역차단되지 않도록 하기 위한 어떤 형태의 스너버 회로를 필요로 한다는 것이다. 이 문제는, 전형적으로는 저장된 에너지를 스너버 회로를 갖는 정류기로부터 멀리 떨어지도록 유도함으로써 처리된다. 변압기의 절연된 출력 회로에 접속된 스너버는 통상적으로 2차 스너버로 불린다.

스너버 회로에는 소산(dissipative) 및 무손실(lossless)의 2개의 주 카테고리가 있다. 소산 스너버는 저장된 에너지를 저항기로 유도한다. 소산 스너버는 종종 하이파워 컨버터에 있어서는 비실용적이어서, 각종 무손실 스너버 회로들이 개발되고 있다. 무손실 스너버는 저장된 에너지를, 컨버터 입력, 컨버터 출력 또는 이들의 결합부로 되돌려 유도한다. 이 무손실 스너버는, 다이오드, 액티브 스위치, 커패시터 및 인덕터와 같이 이상적으로 무손실인 부품들로 구성된다. 그러나, 실제로, 무손실 스너버는 약간의 파워 로스를 갖고 있지만, 이는 소산 스너버의 파워 로스보다는 매우 낮다,

액티브 스위치를 사용하는 종래 2차 스너버는, 조정구(JUNG-GOO CHO) 등의 "Zero-voltage and zero-current-switching full bridge PWM converter using secondary active clamp, "IEEE Transaction on Power Electronics, vol. 13, no. 4, July 1988, pp. 601-607에 기술되어 있다. 스너버 회로에 액티브 부품을 사용하면 파워 컨버터에 대한 코스트 및 복잡성이 더해지므로, 패시브 스너버를 사용하는 것이 바람직한 경우가 종종 있다. 각종 패시브 2차 스너버들이, 조정구 등의, "Novel zero-voltage and zero-current-switching(ZVZCS) full bridge PWM converter using a simple auxiliary circuit," Proceedings of the IEEE 1998 Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC), vol. 2, pp. 834-839에 기술되어 있다.

고출력 전압을 갖는 스택형 출력정류회로 파워 서플라이를 사용하는 것이 종종 바람직하다. 스택형 정류기의 구조는, 스택형 정류기 없이 파워 컨버터에서 시실시될 수 없는 스너버 회로를 채용하는 기회를 제공할 수 있다. 그의 일예가 스택형 출력 정류기를 갖는 파워 컨버터에 대해 특히 간단한 스너버 회로로서, Asish Bendre, "New High Power DC-DC Converter with Loss Limited Switching and Lossless secondary Clamp,"Proceedings of the IEEE 2001 Power Electronics Specialists Conference(PESC), vol. 1, pp. 321-326에 기술되어 있다. 이 종래의 파워 컨버터 회로가 도1에 도시되어 있다.

도1에 있어서, 바이폴라 파워 서플라이 BPS는, ac 전원을 브리지 정류기 RC TA 및 RCTB에 공급하는 통상적인 위상 시프트 브리지 인버터 PSB를 갖는다. 필터 인덕터 LFA 및 LFB는 필터 커패시터 CFA 및 CFB에 공급되는 전류의 리플을 평활화한다. 이 형태의 컨버터는 통상적으로 연속 도통 모드로 동작하는데, 이는 필터 도체에 있어서의 전류가 각 스위칭 사이클 동안 인터럽트되지 않고 연속적으로 흐르는 것을 의미한다. 상기 정류기의 다이오드는, 위상 시프트 브리지 인버터 PSB에 전원이 공급되지 않을 때, 스위칭 사이클의 간격 동안 프리휠 모드로 동작한다. 인버터가 정류기에 대한 전원 공급을 개시하면, 정류기 다이오드는 오프되고 스너버 다이오드 DSA 및 DSB는 정류기의 브리지 전압을 포지티브 출력 단자 PT와 네가티브 출력 단자 NT 사이의 전체 출력 전압으로 클램프한다.

상기 스너버 구성은 간단하고 효과적이지만, 스너버 다이오드 DSA 및 DSB가, 필터 커패시터 CFA 및 CFB에 큰 전류 펄스를 방출하지 않도록 하기 위해 인버터 듀티 사이클의 하용가능한 동작 범위를 O.5보다 다소 큰 값으로 제한하는 단점이 있다. 이 효과는 상기 파워 컨버터 회로로 얻을 수 있는 전압 변환비의 가용 범위를 제한한다.

적층 정류기가 전압 변환 범위를 제한하지 않는 무손실 스너버 회로로 스너브되는 고출력 고전압 응용에 적합한 절연된 광범위 파워 컨버터가 제공되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 전압 변환 범위를 제한하지 않는 무손실 스너버 회로로 스너브되는 적층 정류기를 갖는 고출력 고전압 응용에 적합한 절연된 광범위 파워 컨버터가 제공된다. 파워 서플라이는 포지티브 출력 단자, 네가티브 출력 단자 및 공통 출력 단자를 갖는다. 제1 정류 회로는 인버터로부터 ac 전원을 받고 제1 포지티브 정류기 단자와 제1 네가티브 정류기 단자 사이에 dc 전원을 방출하며, 제2 정류 회로는 인버터로부터 ac 전원을 받고 제2 포지티브 정류기 단자와 제2 네가티브 정류기 단자 사이에 dc 전원을 방출한다. 상기 제1 포지티브 정류기 단자는 포지티브 정류기 단자에 연결되고, 상기 제2 네가티브 정류기 단자는 네가티브 출력 단자에 연결되어 있다. 제1 필터 인덕터가 제1 네가티브 정류기 단자와 공통 출력 단자 사이에 접속되고, 제2 필터 인덕터가 제2 포지티브 정류기 단자와 공통 출력 단자 사이에 접속된다. 제1 필터 커패시터가 포지티브 출력 단자와 공통 출력 단자 사이에 접속되고, 제2 필터 커패시터가 네가티브 출력 단자와 공통 출력 단자 사이에 접속된다. 제1 스너버 인덕터가 포지티브 출력 단자와 제1 스너버 정션 사이에 접속되고, 제2 스너버 인덕터가 네가티브 출력 단자와 제2 스너버 정션 사이에 접속된다. 제1 스너버 커패시터가 제1 스너버 정션과 출력 단자 사이에 접속되고, 제2 스너버 커패시터가 제2 스너버 정션과 출력 단자 사이에 접속된다. 제1 스너버 다이오드가 제2 포지티브 정류기 단자와 제1 스너버 정션 사이에 접속되고, 제2 스너버 다이오드가 제2 스너버 정션과 제1 네가티브 정류기 단자 사이에 접속 된다. 상기 스너버 다이오드들은, 이들이 순방향으로 전류를 도통했을 때, 제1 다이오드 전류는 제1 스너버 다이오드를 통해 제1 스너버 정션으로 흐르고, 제2 다이오드 전류는 제2 스너버 정션의 외측으로 제2 스너버 다이오드로 흐른다.

도1은 가용 전압 변환 범위를 제한하는 간단한 무손실 스너버 회로를 갖는 종래 바이폴라 파워 서플라이를 나타낸다.

도2는 넓은 전압 변환 범위를 허용하는 무손실 스너버 회로를 갖는 바이폴라 파워 서플라이를 나타낸다.

도3은 인버터가 0.7의 듀티 사이클을 가질 때 도2에 나타낸 파워 서플라이의 파형들을 나타낸다.

도4는 인버터가 0.4의 듀티 사이클을 가질 때 도2에 나타낸 파워 서플라이의 파형들을 나타낸다.

도2에는, 입력단자 PIT 및 NIT로부터 dc 전원이 입력되는 인버터 INV를 갖는 광범위 바이폴라 파워 서플라이 WRBPS가 도시되어 있다. 상기 인버터는 변압기 T1을 구동하는 스위치 SW1-SW4를 갖는다. 상기 스위치들은, 인버터가 위상 시프트 브리지 또는 펄스폭 변조 H 브리지로서 기능하도록 제어 회로(미도시)에 의해 동작될 수도 있다. 인버터 INV는 변압기로 전류 펄스를 방출하는 공지의 인버터 회로로 실시될 수도 있다. 변압기 T1은 ac 전원을 브리지 정류기 RCT1 및 RCT2에 공급하는 2차 권선 T1A 및 T1B를 갖는다. 또는, 상기 T1은 이 T1과 동일한 기능을 하는 2개의 변압기로 교체될 수 있다. 정류기 RCT1은 포지티브 출력 단자 PRT1과 네가티브 출 력 단자 NRT1 사이에 dc 전원을 방출하고, 정류기 RCT2는 포지티브 출력 단자 PRT2와 네가티브 출력 단자 NRT2 사이에 dc 전원을 방출한다. 정류기 RCT1 및 RCT2는, 예컨대, 중간탭 전파 정류기, 및 순방향 컨버터와 플라이백 컨버터에 사용되는 것과 같은 반파 정류기 등의 다른 공지의 정류회로로 실시될 수도 있다.

파워 서플라이 WRBPS는 포지티브 출력 단자 POT, 네가티브 출력 단자 NOT 및 공통 출력 단자 COT를 갖는다. 포지티브 정류기 단자 PRT1은, 포지티브 출력 단자 POT에 연결되고, 네가티브 정류기 단자 NRT2는 네가티브 출력 단자 NRT2에 연결되어 있다. 제2 필터 인덕터 LF2는 포지티브 정류기 단자 PRT2와 공통 출력 단자 사이에 접속된다. 출력 필터 커패시터 CF1은 포지티브 출력 단자와 공통 출력 단자 사이에 접속되고, 출력 필터 커패시터 CF2는 네가티브 출력 단자와 공통 출력 단자 사이에 접속된다. 필터 인덕터 LF1 및 LF2는 필터 커패시터 CF1 및 CF2에 공급되는 전류의 리플을 평활하게 한다.

스너버 인덕터 LS1은 포지티브 출력 단자와 스너버 정션 SJ1 사이에 접속되고, 제2 스너버 인덕터 LS2는 네가티브 출력 단자와 제2 스너버 정션 SJ2 사이에 접속된다. 스너버 커패시터 CS1은 스너버 정션 SJ1과 네가티브 출력 단자 사이에 접속되고, 제2 스너버 커패시터 CS2는 제2 스너버 정션과 포지티브 출력 단자 사이에 접속된다. 도2에 나타낸 스너버 커패시터의 접속은 일반적으로 출력 필터 커패시터에 있어서 최소한의 리플 전류를 발생하나, 스너버 커패시터들도 임의의 출력 단자에, 바람직하게는 대칭적으로 접속될 수 있다. 예컨대, CS1은 그의 일단이 포지티브 출력 단자에 접속될 수 있고, CS2는 그의 일단이 네가티브 출력 단자에 접 속될 수 있다. 또는, CS1 및 CS2의 각각의 일단이 공통 출력 단자에 접속될 수 있다.

스너버 다이오드 DS1은 포지티브 정류기 단자 PRT2와 스너버 정션 SJ1 사이에 접속되고, 제2 스너버 다이오드 DS2는 스너버 정션 SJ2와 네가티브 정류기 단자 NRT1 사이에 접속된다. 스너버 다이오드들은, 이들이 순방향으로 전류를 도통시켰을때, DS1의 전류가 스너버 정션 SJ1으로 흐르고, DS2의 전류가 정션 SJ2로 흐르도록 배치된다.

2차 권선 T1A 및 T1B는, 이들이 정류기 RCT1 및 RCT2의 출력 단자들 간에 실질적으로 동일한 전압 및 동일한 파형을 발생하도록 권선되는 것이 바람직하다. 이들 정류기들이 전파 정류 회로를 사용하여 구성될 경우, 2차 권선의 극성은 중요하지 않다. 그러나, 정류기 RCT1 및 RCT2가 반파 정류 회로를 사용하여 구성되면, 2차 권선의 극성이 도2에 나타낸 바와 같이 되어야 한다. 정류기 RCT1 및 RCT2의 출력 전압이 거의 동일하도록 2차 권선이 형성되면, 2개의 스너버 인덕터 LS1과 LS2 및 2개의 필터 인덕터 LF1과 LF2는 도2에 나타낸 바와 같이 결합될 수도 있다. 스너버 커패시터 CS1 및 CS2는 동일한 커패시턴스를 갖는 것이 바람직하며, 필터 커패시터 CF1 및 CF2 역시 동일한 커패시턴스를 갖는 것이 바람직하다.

도3 및 도4는 인버터가 각각 0.7 및 0.4의 듀티 사이클로 동작될 때 파워 서플라이 WRBPS의 파형들을 나타낸다. 상기 파형들은 표1에 특정된 부품값 및 파라미터로 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 생성된 것이다. 표2는 동작 성능 파라미터를 기입한 것이다.

도3 및 도4에 있어서, V_OUT는 포지티브 출력 단자와 네가티브 출력 단자 간의 출력 전압이고, V_BRIDGE는 각 조의 포지티브와 네가티브 정류기 단자들 간의 전압이고, V_SNUB는 스너버 커패시터들에 걸린 전압이다. I_LF는 필터 인덕터 LF1 및 LF2의 점선 단부들로부터 흐르는 전류이고, I_LS는 스너버 인덕터 LS1 및 LS2의 점선 단부들로부터 흐르는 전류이다. I_SEC는 2차 권선 T1A 및 T1B의 점선 단부들로부터 흐르는 전류이다.

표1. 도2에 대한 부품값 및 파라미터

변압기 권선 인덕턴스	1 mH(3개의 권선 모두)
변압기 커플링 계수	0.99(3개의 권선 모두)
필터 인덕터 LF1 및 LF2	300 μH
LF1과 LF2 간의 커플링	0.97
스너버 인덕터 LS1 및 LS2	200 μH
LS1과 LS2 간의 커플링	0.99
스너버 커패시터 CS1 및 CS2	330 nF
출력 필터 커패시터 CF1 및 CF2	330 nF

표2. 도3 및 도4에 대한 동작 파라미터

	도3	도4
동작 주파수	31.25 kHz	31.25 kHz
입력전압	500 V	500 V
출력	15 kW	15 kW
인버터 듀티 사이클	0.7	0.4
평균 출력 전압	668 V	451 V
퍼센트 rms 출력 리플 전압	2.7 %	5.0 %

도3은 인버터 INV가 0.7의 듀티 사이클로 동작시 도2의 파워 서플라이 WRBPS 의 파형들을 나타낸다. 스너버 다이오드들은 정류기 RCT1 및 RCT2의 출력 단자들간의 전압의 피크 대 평균비가 2 미만이고, 상기 스너버 전압 S_SNUB가 브리지 전압의 피크치와 거의 동일하게 될 때 일 때 극히 적은 전류를 흘린다. 이 조건은, INV와 같은 방형파 인버터의 듀티 사이클이 0.5보다 다소 클 때 충족된다. 정류기 출력 전압의 듀티 사이클은 변압기의 누설 인덕턴스로 인해 인버터의 듀티 사이클보다 적어진다. 도1에 도시한 종래 파워 서플라이 BPS는 인버터의 듀티 사이클이 높을 때 유사하게 동작한다.

도4는 인버터 INV가 0.4의 듀티 사이클로 동작할때 도2의 파워 서플라이 WRBPS의 파형들을 나타낸다. 스너버 다이오드들은 정류기 RCT1 및 RCT2의 출력 단자들간의 전압의 피크 대 평균비가 2보다 클 때 실질적인 전류를 흘릴 수 있다. 이 조건은, INV와 같은 방형파 인버터의 듀티 사이클이 약 0.5 보다 적을 때 충족된다. 이는, 도1에 있어서의 종래 파워 서플라이 BPS에도 유효하다. 스너버 다이오드 DS1 및 DS2를 통해 흐르는 전류의 피크치는 파형 I_LF로 나타낸 바와 같이 스너버 인덕터 LS1 및 LS2에 의해 제한된다. 도4의 하측 도면은 스너버 인덕터들을 통한 전류가 필터 인덕터를 통한 전류보다 큰 것을 나타내지만, 출력 전압의 리플은 여전히 비교적 낮다.

스너버 커패시터 전압 V_SNUB의 피크치는 도3 및 도4에 있어서 거의 같으나, 리플 전압은 도4에서 매우 크다. 비록 그렇다 하더라도, 스너버 커패시터 ac 전압 및 전류의 전압-전류의 곱은 약 2.5 kVA에 불과하여 15kW 출력과 비교하여 여전히 작 다.

스너버 커패시터의 최적값은 그 응용들에 좌우된다. 도2에 적시된 커패시터 값은 플라즈마 부하에 전원을 방출하도록 사용되는 파워 서플라이에 적합하며, 공통계류 특허 출원: Apparatus and Method for Fast Arc Extinction With Early Shunting of Arc Current in Plasma, serial number 10/884,119(2004년 7월 2일 출원)에 있어서 dc 전원을 구성하도록 이용될 수 있다. 이 파워 서플라이의 고출력 전압 특성, 넓은 출력 전압 범위 및 저 출력 커패시턴스는 이와 같은 응용에 적합하다. 이 응용에 있어서, 공통 출력 단자는 사용되지 않는다.

WRBPS 파워 서플라이 회로는, 바이폴라 출력 전압 특성이 사용되는 응용에 사용될 수도 있다. 그의 일례로서, 정류된 3상 전압으로부터 안정하게 절연된 dc 버스 전압을 생성하기 위한 프리-레귤레이터 파워 서플라이로서 사용된다. 이 프리-레귤레이터는 공동계류 출원 "Soft Switching Interleaved Power Converter"(2004년 8월 24일 출원)에 기술된 소프트 스위칭 스택형 벅 파워 컨버터와 같은 3개의 대응 입력단자를 갖는 스택형 파워 컨버터에 전원을 공급한다. DC 인버터 입력 단자 PIT 및 NIT에는 3상 브리지 정류기의 출력 전압으로부터 전원이 입력된다. 이 응용에 있어서, ac 입력 전압의 변경을 수용하기 위해 넓은 전압 변환 범위가 사용된다. 전원 라인의 과도현상을 극복하기 위한 능력을 향상시키는 벌크 에너지가 저장을 제공하기 위해 출력 커패시터는 보다 큰 것이 바람직하다. 인버터에 대한 제어 회로(미도시)는 비교적 안정한 출력 전압을 유지하면서 브리지 정류기로부터 ㅂ비교적 일정한 전류를 인출하도록 설계되어야 한다. 이러한 제어 회로는, 절연된 dc 버스 출력 전압을 레귤레이트하기 위해 ac 전원 라인 주파수보다 실질적으로 좁은 대역폭을 갖는 외측 제어 루프, 및 수 kHz의 대역폭을 갖는 내측 입력 전류 제저 루프를 갖는다.

특정 구조와 동작 설명이 도시되고 설명이 되어 있을지라도, 동일한 것은 단지 도시의 목적으로, 그리고 본 발명의 정신과 범위를 이탈하지 않고 당업자에 의해 변경과 수정이 쉽게 이루어질 수 있는 점은 명확하게 이해될 것이다.

Claims

a) 포지티브 출력 단자, 네가티브 출력 단자 및 공통 출력 단자;

b) 인버터로부터 ac 전원이 입력되고 제1 포지티브 정류기 단자와 제1 네가티브 정류기 단자 사이에 dc 전원을 방출하는 제1 정류 회로와, 인버터로부터 ac 전원이 입력되고 제2 포지티브 정류기 단자와 제2 네가티브 정류기 단자 사이에 dc 전원을 방출하는 제2 정류 회로;

c) 상기 제1 포지티브 정류기 단자는 포지티브 정류기 단자에 연결되고, 상기 제2 네가티브 정류기 단자는 네가티브 출력 단자에 연결되고,

d) 상기 제1 네가티브 정류기 단자와 상기 공통 출력 단자 사이에 접속되는 제1 필터 인덕터와, 상기 제2 포지티브 정류기 단자와 상기 공통 출력 단자 사이에 접속되는 제2 필터 인덕터;

e) 상기 포지티브 출력 단자와 상기 공통 출력 단자 사이에 접속되는 제1 필터 커패시터와, 상기 네가티브 출력 단자와 상기 공통 출력 단자 사이에 접속되는 제2 필터 커패시터;

f) 상기 포지티브 출력 단자와 제1 스너버 정션 사이에 접속되는 제1 스너버 인덕터와, 상기 네가티브 출력 단자와 제2 스너버 정션 사이에 접속되는 제2 스너버 인덕터;

g) 상기 제1 스너버 정션과 출력 단자 사이에 접속되는 제1 스너버 커패시터와, 상기 제2 스너버 정션과 출력 단자 사이에 접속되는 제2 스너버 커패시터;

h) 스너버 다이오드들이, 이들이 순방향으로 전류를 도통했을 때, 제1 다이오드 전류는 제1 스너버 다이오드를 통해 제1 스너버 정션으로 흐르고, 제2 다이오드 전류는 제2 스너버 정션의 외측으로 제2 스너버 다이오드로 흐르도록, 상기 제2 포지티브 정류기 단자와 상기 제1 스너버 정션 사이에 접속되는 제1 스너버 다이오드와, 상기 제2 스너버 정션과 상기 제1 네가티브 정류기 단자 사이에 접속되는 제2 스너버 다이오드;를 포함하는 적어도 하나의 부하에 전원을 방출하기 위한 바이폴라 파워 컨버터로.