KR20080008948A - Voltage converter - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 전압 변환기의 회로를 나타낸다. 1 shows a circuit of the voltage converter of the present invention.
도 2는 도 1의 전자기 노드의 제1 변압기의 등가 회로도를 나타낸다. 2 shows an equivalent circuit diagram of a first transformer of the electromagnetic node of FIG. 1.
도 3은 도 1의 전자기 노드 2의 구성을 개략적으로 보여준다. FIG. 3 schematically shows the configuration of the
<도면의 부호에 대한 간단한 설명><Short description of the symbols in the drawings>
인버터 장치 1, 전자기 노드 2.
정류기 및 필터 3, 제1 인버터 11. Rectifier and
제2 인버터 12, 인버터 장치 1의 보조 인덕턴스 13. Auxiliary inductance of the second inverter 12,
파워 트랜지스터 111, 112, 파워 커패시터 113, 114.
제1 인버터 11의 공진 커패시터 115, 116, 파워 트랜지스터 121, 122.
파워 커패시터 123, 124, 제2 인버터 12의 공진 커패시터 125, 126.
전자기 노드 2의 제1 변압기 21 및 제2 변압기 22, 자기 코어 211.
입력 권선 212, 제1 변압기 21의 두 개의 출력 권선 213. Input winding 212, two
자기 코어 221, 입력 권선 222.
제2 변압기 22의 두 개의 출력 권선 223, 다이오드 31, 32.Two
정류기 3의 필터(인덕턴스) 33, 자화 회로의 인덕턴스 216. Filter (inductance) 33 of
누설 인덕턴스 217, 제1 변압기 21의 자기 코어 211의 갭 214.
단자 225, 제2 변압기 22의 자기 코어 221의 갭 224.
본 발명은 변환기 장치에 관한 것으로서, 주로 전기 아크 용접을 위한 전력 공급 장치에 사용될 수 있다. FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a transducer device, which can be used primarily in power supplies for electric arc welding.
문헌 [RF 특허 제2190926, N03K17/082, N02M7/538, 공개일 2005.04.20, Bul. No. 11]에 의해 공지된 변환기는 능동성-유도성 부하가 적용되는 푸시-풀 회로에 기반해 제작된다. 본 변환기에는 파워 트랜지스터들과 병렬로 연결된 로킹 커패시터들(locking capacitors)과 콜렉터 또는 파워 트랜지스터의 드레인과 상기 트랜지스터들의 제어 신호를 위한 전구체의 차단 유입구 사이에 연결된 피드백 저항기가 장착되어 있다. 본 변환기의 결점은 콜렉터 전류의 활성화 및 차단시 그 지속성(persistence) 및 로킹 커패시터의 과충전으로부터 발생하는 파워 트랜지스터 내의 동적 손실이 과도하다는 점과 전력 정류 회로 내 피드백 저항기 상의 손실이 상당하다는 점이다. See RF Patents 2190926, N03K17 / 082, N02M7 / 538, published April 20, 2005, Bul. No. The transducer known by [11] is manufactured based on a push-pull circuit to which an active-inductive load is applied. The converter is equipped with locking capacitors connected in parallel with the power transistors and a feedback resistor connected between the drain of the collector or power transistor and the blocking inlet of the precursor for the control signal of the transistors. The drawbacks of the converter are the excessive dynamic losses in the power transistor resulting from the persistence and overcharging of the locking capacitor upon activation and interruption of the collector current and the significant losses on the feedback resistors in the power rectifier circuit.
문헌 [A.c. 1796082 USSR, N02M 3/335, 공개 15.02.93, Bul. No 6]에 의해 공지된 푸시-풀 DC 변환기는 연속적으로 연결되어, 공진형 커패시터와 함께 일련의 공진 회로를 구성하는 다이오드, 두 이중 권선 스로틀(double-wound throttle)의 전자기 노드를 가지고 있는 트랜지스터의 형태로 상기 두 이중 권선 스로틀의 2차 권선이 정류기 다이오드 및 필터를 통해 상기 변환기의 출력단에 연결되어 있다. A.c. 1796082 USSR,
이러한 스로틀들은 반감기 동안 번갈아 작동한다. 반감기의 전반기 동안에는 상기 커패시터의 과충전 전류를 상기 부하 측으로 전달하는 트랜스포머로서 작용을 하며, 반감기의 후반기 동안에는 리턴 (자기 소거) 모드로서 축적된 에너지를 다시 상기 부하로 전송하는 스로틀로서 작용한다. These throttles alternate in half life. During the first half of the half-life it acts as a transformer to deliver the overcharge current of the capacitor to the load side, and during the second half of the half-life it acts as a throttle to transfer the accumulated energy back to the load as a return (self-clearing) mode.
결과적으로, 제로 전류 상태의 파워 트랜지스터의 정류(commutation)가 담보되며, 이에 의해 동적 손실이 감소된다. 본 변환기의 단점은 두 개의 권선을 포함하고 있는 추가적인 스로틀을 필요로 한다는 점이다. 이는 용적-치수 특성을 저하시키고, 트랜지스터 공진을 통해 전류 진폭을 증가시키며, 변환 주파수 값에 대한 요구를 엄격히 한다. 이는 정류기간의 편차가 트랜지스터 스위칭 순간에 제로 전류 요건을 위반하기 때문이다. As a result, the commutation of the power transistor in the zero current state is ensured, whereby the dynamic loss is reduced. The disadvantage of this converter is that it requires an additional throttle with two windings. This degrades the volume-dimension characteristics, increases the current amplitude through transistor resonance, and places stringent demands on the conversion frequency value. This is because deviations in the commutation period violate zero current requirements at the moment of transistor switching.
종래의 전압 변환기로서 제로 전압으로 스위칭하기 위한 공진 구성을 가지고 있는 전압변환기[Family of Phase-Shifting Resonance Controllers/Integrated Circuits: Chips for Pulse Power Sources and Their Application. Edition 2.-M.: DODEKA, 2000, 도.18, 256 면]가 알려져 있다. Family of Phase-Shifting Resonance Controllers / Integrated Circuits: Chips for Pulse Power Sources and Their Application as conventional voltage converters having a resonant configuration for switching to zero voltage. Edition 2.-M .: DODEKA, 2000, Fig. 18, p. 256] is known.
종래의 변환기는 연속적으로 연결된 파워 트랜지스터 상에 브릿지 회로를 통해 구성된 인버터, 각 파워 트랜지스터의 전력 전극들에 병렬로 연결된 공진 커패시터, 변압기(transformer)의 전자기 노드가 있는 인버터 장치를 포함하고 있다. 종래의 변환기에서 추가적인 인덕턴스를 통해 AC 인버터 출력 회로에 연결된 입력 권선과 출력 권선 출구는 정류기 다이오드 및 필터를 통해 출력 단자와 연결된다. 변환기의 트랜지스터 키는 영구적 부하 전류에 의해 작동/정지의 간격에서 실질적 으로 아무런 손실 없이 작동된다.Conventional converters include inverters configured via bridge circuits on successively connected power transistors, resonant capacitors connected in parallel to the power electrodes of each power transistor, and inverter devices with electromagnetic nodes of transformers. In conventional converters the input windings and output winding outlets connected to the AC inverter output circuit via additional inductance are connected to the output terminals via rectifier diodes and filters. The converter's transistor keys are operated with virtually no losses in the run / stop intervals by permanent load currents.
본 변환기의 단점은 변환기 부하 전류가 유휴(idling) 상태에서 용접 전원 공급 시 발생하는 정격 부하 또는 쇼트회로 상태(short-circuit duty)로 서서히 또는 순간적으로 변동하는 경우 인버터 트랜지스터의 동적 손실의 정도가 과도하다는 점이다. 부하 전류가 낮은 경우 추가적인 인덕턴스에 축적된 에너지는 트랜지스터의 온건한 정류 조건을 어지럽히는 공진 커패시터를 재충전하기에 충분치 않다. 부하 전류가 높은 경우, 재충전 시간은 과도하게 길어지며 변조 각과 출력 전압은 감소한다. The disadvantage of this converter is that if the converter load current slowly or momentarily fluctuates to the rated load or short-circuit duty that occurs when welding power is supplied at idling, the degree of dynamic loss of the inverter transistor is excessive. Is that. At low load currents, the energy accumulated in the additional inductance is not sufficient to recharge the resonant capacitor, which disturbs the transistor's moderate commutation conditions. At high load currents, the recharge time is excessively long and the modulation angle and output voltage are reduced.
이와 같은 종래 기술이 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 트랜지스터 내의 동적 손실을 감소시킬 수 있는 신규한 전압 변환기를 제공하고자 한다. In order to solve this problem in the prior art, the present invention seeks to provide a novel voltage converter capable of reducing dynamic losses in a transistor.
또한, 본 발명은 부하 전류 변화시 제로 전압 스위칭으로 온건한 정류 조건을 만족시킬 수 있는 신규한 전압 변환기를 제공하고자 한다. In addition, the present invention is to provide a novel voltage converter capable of satisfying moderate rectification conditions with zero voltage switching when the load current changes.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 전압 변환기는 트랜지스터의 전극에 병렬 연결되어 있는 공진 컨덴서로 이루어진 제1 인버터가 구비되어 있는 인버터 장치, 입력 권선 및 출력 권선으로 이루어진 제1 변압기를 구비하며 상기 인버터 장치와 연결되어 있는 전자기 노드, 및 상기 출력 단자에 연결되어 있는 정류기 및 필터를 포함한다. 여기서, 상기 인버터 장치는 상기 제1 인버터와 유사한 구성을 가지는 제2 인버터를 더 구비하고, 추가 인덕턴스를 가지며, 상기 전자기 노드는 상기 제1 변압기와 유사한 구성의 제2 변압기를 더 구비한다. According to an aspect of the present invention, a voltage converter includes an inverter device having a first inverter including a resonant capacitor connected in parallel to an electrode of a transistor, a first transformer including an input winding and an output winding. And an electromagnetic node connected to the inverter device, and a rectifier and a filter connected to the output terminal. Here, the inverter device further includes a second inverter having a configuration similar to that of the first inverter, has an additional inductance, and the electromagnetic node further includes a second transformer having a configuration similar to the first transformer.
상기 제1 인버터 및 제2 인버터는 각각 대응하는 상기 변압기의 입력 권선에 역결선 방식으로 연결되고, 및 서로 연속 연결된 두 쌍의 출력 권선을 형성함으로써, 파워 출구에 대하여 병렬로 연결되며, AC 출구에 연속적으로 연결되고, 각각 상기 정류기 및 필터에 역상 연결되어, 반 브릿지 회로(semi-bridge circuit)를 구성한다. The first inverter and the second inverter are each connected in reverse connection to the input windings of the corresponding transformer, and form two pairs of output windings connected in series with each other, thereby being connected in parallel to the power outlet and connected to the AC outlet. Continuously connected and reversely connected to the rectifier and the filter, respectively, to form a semi-bridge circuit.
상기 제1 변압기 및 제2 변압기의 각각의 자기 코어들은 갭을 가지도록 구성되며, 상기 제1 인버터 및 제2 인버터의 상기 파워 트랜지스터들의 결합 지점은 상기 추가 인덕턴스를 통해 서로 연결된다. Each of the magnetic cores of the first transformer and the second transformer is configured to have a gap, and the coupling points of the power transistors of the first inverter and the second inverter are connected to each other through the additional inductance.
본 발명의 상기 주요 특징들- 즉 인버터 장치에 또 다른 유사한 인버터 및 추가 인덕턴스, 유사한 변압기가 구비되어 있는 전자기 노드가 장착되어 있다는 점. 여기서, 두 인버터는 전력 유입구와 병렬로 연결되고 대응하는 변압기 입력 권선에 역결선 방식 및 서로 연속 연결된 두 쌍의 출력 권선을 형성함으로써 AC 출구에 연속적으로 연결되고, 상기 대응하는 정류기 다이오드와 필터에 역상 연결된 반 브릿지 회로에 의해 구성된다는 점. 여기서, 두 변압기의 자기 코어는 갭으로써 구성되며, 두 인버터의 트랜지스터 결합 지점는 보조 인덕턴스를 통해 서로 연결된다는 점-은 신규한 내용이며, 전혀 공지 공용되어 있지 않았던 것이어서, 소위 신규성(novelty)의 보호 요건을 충족하는 것으로 생각된다. The above main features of the invention-that is, the inverter device is equipped with an electromagnetic node equipped with another similar inverter and further inductance, a similar transformer. Here, the two inverters are connected in parallel with the power inlet and are continuously connected to the AC outlet by forming two pairs of output windings connected in series and in a reverse connection to the corresponding transformer input windings and reversed to the corresponding rectifier diode and filter. Configured by connected half-bridge circuits. Here, the magnetic cores of the two transformers are configured as gaps, and the transistor coupling points of the two inverters are connected to each other via auxiliary inductance-which is novel and not known at all, so called protection of novelty. It is thought to meet.
또한, 이러한 특징들은 변환기 부하 전류 변화에 따라 온건한 정류를 보장하 여 트랜지스터에서 동적 손실을 감소시키는 신규한 기술적 효과를 달성하게 하므로, 이 같은 점에서 본원 발명이 소위 진보성(inventive) 수준의 보호 요건을 충족하는 것으로 생각된다. In addition, these features ensure novel rectification as the converter load current changes to achieve a novel technical effect of reducing dynamic losses in the transistor, and in this respect, the present invention provides a so-called progressive level of protection requirements. It is thought to meet.
도 1은 하기의 도면 번호에 대응하는 구성 요소들로 이루어진 전압 변환기의 회로를 나타낸다. 1 shows a circuit of a voltage converter composed of components corresponding to the following reference numerals.
도 2는 하기의 도면 번호에 대응하는 구성 요소들로 이루어진 전자기 노드의 제1 변압기 21의 등가 회로를 제시한다(제2 변압기 22의 등가 회로도 유사함). FIG. 2 shows an equivalent circuit of the
도 3은 하기의 도면 번호에 대응하는 구성 요소들로 이루어진 전자기 노드 2의 도면을 제시한다. 3 shows a diagram of an
도 3에서 가능한 한 변이로서, 출력 권선 213 및 223 쌍이 변압기 21 및 22를 위해 공유되어서 자기 코어 211 및 221의 유입구를 통과하도록 구성될 수 있다. As a possible variation in FIG. 3, the
본 발명의 전압 변환기(도 1)는 연속적으로 쌍으로 연결된 파워 트랜지스터 111, 112, 121 및 122(내부 "기생" 역결선 다이오드가 있는 모스펫 트랜지스터가 제시되어 있다)와 연속적으로 쌍으로 연결된 파워 커패시터 113, 114, 123 및 124 상의 반 브릿지 회로에 의해 주로 이루어진 두 개의 인버터 11 및 12를 가지고 있는 인버터 장치 1를 포함한다. The voltage converter (FIG. 1) of the present invention is a series of
각 파워 트랜지스터 111, 112, 121, 122와 병렬로 공진 커패시터 115, 116, 125 및 126이 연결된다. 정류(commutation) 주파수가 높은 경우, 크로스 다이오드 및 파워 트랜지스터들의 기생 저장 능력(capacity)은 공진 커패시터와 같이 사용될 수 있다.
전자기 노드 2는 인버터 11 및 12의 AC 출구 및 전자기 노드의 출구와 연결되고, 필터가 구비되어 있는 정류기 3와 연결된다. 인버터 11과 12는 전력 공급 출구에 의해 병렬로 연결되고, 전원 U1에 연결된다. 이들은 출력 전압의 가중으로 AC 출구에 의해 뒤에서 뒤로(back to back) 연속적으로 연결된다. 이로써 상기의 연속 역결선이 이루어진다.
입력 권선 212의 끝 부분이 제1 인버터 11의 트랜지스터 111 및 112의 결합 지점에 연결되며, 입력 권선 222의 시작 부분이 제2 인버터 12의 트랜지스터 121 및 122의 결합 지점에 연결된다. 그리고 상기 입력 권선 212 및 222의 시작 및 끝 부분이 각각 파워 커패시터 113 및 114의 결합 지점과, 123 및 124의 결합 지점에 연결된다. An end of the input winding 212 is connected to the coupling point of the
출력 권선 213 및 223은 연속 결합에 의해 쌍을 형성한다. 이러한 권선쌍 213 및 223은 역상으로 연결된다. 즉, 처음 부분이 다이오드 32 쪽으로 연결되고, 끝 부분은 다이오드 31 쪽으로, 처음 및 끝 부분은 인덕턴스 33 쪽으로 연결된다. The
트랜지스터 111, 112, 121 및 122의 결합 지점들은 보조 인덕턴스 13을 통해 서로 결합된다. 전자기 노드 2(도 2 및 3)는 평면 형태의 두 변압기 21 및 22로 구성된다. 이들의 자기 코어 211 및 221은 강자성체(높은 변환 주파수를 위해 철산화물이 바람직함)로 이루어진다. The coupling points of
한 가지 방법으로서, 출력 권선 213 및 223을 두 자기 코어 211 및 221의 유입구를 통과하도록 할 것을 제안하며, 이렇게 하면 출력 권선 213 및 223은 두 변 압기 21 및 22에 의해 공유됨으로써 이러한 노드의 생산 기술을 단순화할 수 있을 것이다. As one method, it is suggested that the
이러한 트랜지스터들의 온건한 정류 수행 동안, 변압기 등가 회로의 두 파라미터는 자화 회로 216의 인덕턴스 및 누출 인덕턴스 217로 사용된다. 이들의 값은 갭 214 및 224를 선택함으로써 변경될 수 있다. 즉, 갭이 증가하면, 첫 번째 및 두 번째 파라미터는 감소한다. 전압 변환기 자체는 시리얼 구성 요소 베이스로 제작되며, 따라서 산업상 이용 가능성이 있는 것으로 생각된다. During moderate rectification of these transistors, two parameters of the transformer equivalent circuit are used as the inductance and
본 발명의 전압 변환기는 다음과 같이 작동한다. 제1 인버터 11의 트랜지스터 111 및 112(제2 인버터 12의 트랜지스터 121 및 122)의 교차 정류(alternate commutation) 때문에, 변압기 21의 입력 권선 212(변압기 22의 출력 권선 222)는 그 끝 부분(그 시작 부분)을 통해 전원의 양극 또는 음극에 교차하여(alternately) 연결된다. The voltage converter of the present invention operates as follows. Due to the alternating commutation of
파워 커패시터 113 및 114(123, 124)의 결합 지점에서, 전압 값은 전원 전압의 1/2(즉 0.5U1)에 해당한다. 직사각형 모양의 인버터 11 및 12의 결과 전압 변수는 동일한 요구 수준으로 변환되어서 대수적으로 합산된다. 즉, 제2권선 213 및 223 상의 신호(극성 표시)를 고려하는 것이다. At the coupling point of
이를 정류하고 온건하게 하면 일정한 출력 전압 U2를 얻는다. U2는 인버터 11 과 12의 출력 전압 간의 상 변화를 제어하기 위해 제어 장치를 지나는 피드백 채널을 통해 조정되고 안정화된다. 따라서, 변조 각(펄스 듀티 사이클)이 작은 경우, 출력 권선 213 및 223 상 전압의 양방향성 펄스는 그들 사이의 긴 정지 시간을 가져 폭이 거의 없고, 출력 전압 U2(낮은 값)은 낮은 수준이 된다. It is rectified and moderate to get a constant output voltage U2. U2 is regulated and stabilized through a feedback channel through the control unit to control the phase change between the output voltages of inverters 11 and 12. Therefore, when the modulation angle (pulse duty cycle) is small, the bidirectional pulses of the voltages on the
변조 각이 증가하면, 정지 시간은 감소하고 출력 전압은 증가한다. 온건한 정류의 수행을 위해 공진 커패시터 115, 116, 125 및 126 중 하나와 추가적인 인덕턴스 13 및/또는 자화 회로 216의 코일 인덕턴스 및 변압기의 누출 인덕턴스 217와의 공진 현상을 달성하기 위해 특정 조건이 필요하다. As the modulation angle increases, the down time decreases and the output voltage increases. Certain conditions are required to achieve resonant phenomena with one of the
두 변압기 21 및 22의 자화 회로 인덕턴스는 누출 인덕턴스에 비해 현저한 값을 가지며, 전압이 출력 권선 212 및 222에 공급될 때 그들을 통한 전류 증가(대개 입력에 선형적인)의 성격을 결정한다. The magnetizing circuit inductances of the two
파워 트랜지스터 정류의 경우, 전력의 동적 손실이 일어나며, 이는 정류 구간의 유한한 길이, 트랜지스터 상의 전압의 존재 및 전류의 증가(또는 감소)와 관련이 있다. 이러한 손실들은 트랜지스터와 병렬로 연결된 공진 커패시터의 사용에 의해 최소화될 수 있으며, 이는 이러한 커패시터 상에 제로 전압으로 스위치 정류 프로세스를 확실히 하기 때문이다. In the case of power transistor rectification, a dynamic loss of power occurs, which is related to the finite length of the rectification interval, the presence of voltage on the transistor, and the increase (or decrease) of the current. These losses can be minimized by the use of a resonant capacitor connected in parallel with the transistor, as this ensures a switch rectification process with zero voltage on this capacitor.
단동조(single-tuned) 네트워크 파라미터의 선택이 부적절한 경우에는, 유휴 상태에서도 동적 전력 손실이 예상될 수 있다. 이는 커패시터 상에 전압이 있는 경우에는 그곳에 축적된 에너지가 그러한 소자 상의 전압의 제곱에 비례하기 때문이다(Wc= 0.5CU2). 에너지는 정류가 진행된 트랜지스터 상에서 분산되며, 변환 주파수가 높은 경우에는, 이러한 에너지에 의해 비교적 큰 동적 손실이 일어나며, 이는 트랜지스터의 거친 정류에 해당한다. If the choice of single-tuned network parameters is inappropriate, dynamic power loss can be expected even at idle. This is because if there is a voltage on the capacitor, the energy accumulated there is proportional to the square of the voltage on that device (W c = 0.5CU 2 ). The energy is dispersed on the transistor where rectification proceeds, and when the conversion frequency is high, this energy causes a relatively large dynamic loss, which corresponds to rough rectification of the transistor.
공진 프로세스가 형성될 때, 트랜지스터 스위칭 구간에서 공진 커패시터를 제로 전압으로 완전히 재충전하기 위해서, 온건한 정류는 충분한 수준의 에너지가 인덕턴스에 축적될 것을 요구한다. 이러한 에너지는 이를 통해 흐르는 전류에 비례하며, WL=0.5LI2와 동일하게 된다. When a resonant process is formed, moderate commutation requires a sufficient level of energy to accumulate in the inductance in order to fully recharge the resonant capacitor to zero voltage in the transistor switching interval. This energy is proportional to the current flowing through it, equaling W L = 0.5LI 2 .
또한, 공진 진동 시간 T는 트랜지스터의 정류 시간 tk 과 특정 관계, 즉, T≥ 4tk의 관계에 있어야 한다. 이때, T의 과도한 증가는 변조 각의 감소 및 출력 변환기 전압의 감소를 초래하며, 이는 상당히 유해할 수 있다. In addition, the resonance oscillation time T must be in a specific relationship with the rectification time t k of the transistor, that is, T ≧ 4t k . At this time, an excessive increase in T results in a decrease in the modulation angle and a decrease in the output converter voltage, which can be quite harmful.
공진 커패시터가 제로 전압으로 방전된 후, 트랜지스터가 쉬프트될 수 있도록 변환 사이클에 시간 tk를 의도적으로 도입한다. 이를 위해, 다른 모드(공칭 조건, 평균 부하, 유휴 상태, 쇼트 회로)로의 전송이 일어나는 동안 변경될 수 있는 파라미터 선택이 요구된다. 본 발명에 있어서는, 공진 커패시터 및 세 가지 타입의 인덕턴스(자화 회로의 인덕턴스 및 변압기용 누출 인덕턴스 및 추가 인덕턴스)가 이러한 목적을 위해 사용된다. After the resonant capacitor is discharged to zero voltage, time t k is intentionally introduced into the conversion cycle so that the transistor can be shifted. For this purpose, a parameter selection is required which can be changed during the transfer to other modes (nominal conditions, average load, idle state, short circuit). In the present invention, a resonant capacitor and three types of inductances (inductance of the magnetization circuit and leakage inductance and additional inductance for transformers) are used for this purpose.
최대 값에 육박하는 변조각 및 정격 부하에 대하여 정상 상태에서 트랜지스터 정류의 주요 단계들은 다음과 같다. 본 실시예에서는 에너지가 변압기 21 및 22를 통해 부하 측으로 전송되지 않을 때, 전압 변압 사이클이 종료되는 것으로 한다. 제1 인버터 11의 트랜지스터 111과 제2 인번터 12의 트랜지스터 121이 활성화된다. 전압 +0.5U1가 커패시터 113 및 123으로부터 입력 권선 212의 끝 부분과 입력 권선 222의 시작 부분으로 공급된다. 이러한 권선들의 감극성(subtractive polarity) 때문에, 권선 쌍 212 및 222 상의 전압의 합은 0이 되며, 인덕턴스 33에 의해 축적된 에너지에 부하 전류가 공급된다. 입력 권선 212 및 222 내의 평형 전류(Equilibrant current)는 트랜지스터 111 및 121을 통해 자유롭게 순환하지만, 역 모드(전원에서 드레인으로)에서는 역 다이오드를 통한다. 커패시터 115 및 125는 완전히 방전되며, 커패시터 116 및 126는 0.5U1 수준까지 충전된다. 추가 인덕턴스 13 내의 전류는 0이 된다. The main steps of transistor rectification at steady state for modulation angles and rated loads near their maximum are: In this embodiment, when no energy is transferred to the load side through
제어 장치로부터, 신호가 방출되어서 트랜지스터 111을 록킹(locking)시킨다. 이는 커패시터 115 상의 제로 전압 상태에서 어떠한 손실도 발생시키지 않은 채 정지하는 것이며, 후에 상기 평형 전류의 일부분으로 0.5U1 수준까지 충전된다. 커패시터 116에서는 반대 프로세스가 일어나서, 상기 동일한 전류의 다른 부분으로 0.5U1 에서 제로 수준으로 방전되어, 시간 tk가 경과되고 난 후, 트랜지스터 112를 작동시키기 위한 조건을 준비한다. From the control device, a signal is emitted to lock the
제어 장치로부터의 신호에 따라, 트랜지스터 112는 커패시터 116 상의 제로 전압으로 작동되며, 전원의 음극에 연결된 입력 권선 212의 끝 부분은 정지된다. 이때, 마이너스 수준에서 시작하여 특정 부하 전류로의 전류 증가 속도는 0.5U1의 적용 전압 및 누출 인덕턴스에 의해 결정된다. In response to the signal from the control device,
출력 권선 213 및 223의 페어 상의 총전압의 양극성(positive polarity) 때문에, 다이오드 32는 차단되지 않으며, 차단 전압이 다이오드 31에 공급된다. 필터 의 인덕턴스 33이 에너지를 축적한다. 이 구간의 전력은 부하 측으로 전송된다. 스웰링 전류(Swelling current)는 추가적 인덕턴스 13을 통해 흐른다. Because of the positive polarity of the total voltage on the pair of
상대 변조(펄스 듀티 인자)의 각도가 결정되는 구간이 완료될 때까지, 입력 권선 212 및 222 내의 전류는 상기 부하 전류 및 변압기 21 및 22의 자화 전류 인덕턴스216에 의해 결정된 값까지 증가한다. 상기 전류들은 양 인버터 11 및 12의 사선을 따라 흐르며, 이때 양 변압기 21 및 22의 누출 인덕턴스 217 내에서는 다소 많은 양의 에너지가 축적된다. Until the interval in which the angle of relative modulation (pulse duty factor) is determined is completed, the current in
커패시터 116 및 125는 완전히 방전되며, 커패시터 115 및 126은 0.5U1수준까지 충전된다. 제어 장치로부터의 신호에 따라, 트랜지스터 121은 차단되며, 커패시터 125 상의 전압은 0으로 된다. 이 구간 동안 공진 프로세스 발현에 중요한 역할을 하는, 누출 인덕턴스 217에 의해 축적된 에너지 때문에, 일차 권선 및 추가적 인덕턴스 13 내의 전류는 계속해서 흐르지만, 0.5U1수준까지 충전되는 커패시터 125와 0.5U1 전압 수준에서 전압 0으로 방전되는 커패시터 126을 통한다.
트랜지스터 121을 차단하고 시간 tk가 경과되고 난 후, 제어 장치는 트랜지스터 122의 차단을 해제하는 신호을 발한다. 이것을 작동시키는 과정은 커패시터 126 상의 제로 전압으로 일어난다. 입력 권선 212 및 222 상의 전압 극성은 반대로 되고, 출력 권선 213 및 223 쌍의 총전압은 0이 된다. 부하 측의 전류는 필터의 인덕턴스 33에 축적된 에너지에 의해 유지된다. After the time t k has elapsed since the
트랜지스터 112 및 122와 그 역 다이오드들을 통한 평형 전류의 자유 순환 프로세스가 개시되고, 트랜지스터는 역 모드로 변환된다. 커패시터 116 및 126은 완전히 방전되며, 커패시터 115 및 125는 0.5U1수준까지 충전된다. 제어 장치는 트랜지스터 112를 차단하기 위한 신호를 전송한다. 이때, 트랜지스터 112는 커패시터 116 상의 제로 전압으로 손실 없이 정지된다. A free circulation process of the balanced current through
이 커패시터는 0.5U1수준까지 충전되어서 평형 전류의 일부를 전송한다. 커패시터 115에서는 반대 프로세스가 일어나서, 상기 전류의 나머지가 0.5U1수준에서 0 수준으로 방전된다. This capacitor is charged to the level of 0.5U 1 and transmits part of the balanced current. The opposite process occurs in
제어 장치로부터의 신호에 따라서, 트랜지스터 111은 활성화되고, 커패시터 115 상의 전압은 0으로 된다. 입력 권선 212의 끝 부분은 전원의 양극에 연결되는 것으로 관찰된다. 다이오드 31은 차단되며, 인덕턴스 33은 에너지를 축적한다. 즉, 전력이 부하 측으로 전송된다. 양 변압기 21 및 22의 누출 인덕턴스에 에너지가 축적된다. 커패시터 115 및 126은 완전히 방전되며, 커패시터 116 및 125는 0.5U1수준으로 충전된다. In accordance with the signal from the control device,
제어 장치로부터의 신호에 따라, 트랜지스터 122는 차단되며, 커패시터 126 상의 전압은 0이 된다. 누출 인덕턴스 127은 일차 권선 내의 전류가 커패시터 126을 통해 흐르도록 하며, 커패시터 126는 0.5U1수준으로 충전된다. 또한 누출 인덕턴스 127은 일차 권선 내의 전류가 커패시터 125를 통해서도 전류가 흐르는데, 커패시터 125는 0.5U1에서 0으로 방전된다. In accordance with the signal from the control device,
제어 장치가 트랜지스터 121을 차단하기 위한 신호를 전달한다. 이러한 활성화 프로세스는 커패시터 126 상의 제로 전압으로 일어난다. 그 후, 모든 프로세스는 유사하게 반복된다. The control device transmits a signal for blocking the
요컨대, 정상(nominal) 부하 모드에서, 대부분의 에너지는 누출 인덕턴스에 의해 축적되며, 최소한의 에너지는 자화 회로의 인덕턴스에 의해 축적되어서, 트랜지스터의 온건한 정류를 진행시킨다. 짧은 정지 구간 동안(최대 변조 각), 추가적 인덕턴스 13 내에서, 전류가 우세적 수준에 오를 만큼의 시간적 여유를 확보할 수 없기 때문에, 공진 프로세스에서 전류의 역할은 덜 중요하게 된다. 부하 측에 쇼트 회로가 발생하는 경우, 공진 프로세스에서 누출 인덕턴스는 더 증가할 수 있으며, 정류 시간이 증가함에 따라 변조 각과 평균 부하 전류는 감소하게 된다. 이로써 변환기의 신뢰성은 증가 되며, 동적 손실은 거의 제로 수준에 머물게 된다.In sum, in the nominal load mode, most of the energy is accumulated by the leakage inductance, and the minimum energy is accumulated by the inductance of the magnetization circuit, which leads to moderate rectification of the transistor. During the short stop period (maximum modulation angle), within the
낮은 부하 전류 상태를 가지는 유휴 상태에 가까운 모드가 있다고 가정하자. 이렇게 되면, 누출 인덕턴스 217과 자화 회로 216의 인덕턴스에 축적된 에너지는 공진 커패시터 115 및 116을 충전시키기에 불충분할 뿐만 아니라, 파워 트랜지스터 111 및 112의 온건한 정류를 담보하기에도 부족하게 되며, 이로 인해 상당한 동적 손실이 발생한다. Suppose there is a mode near idle with a low load current state. In this case, the energy accumulated in the
자화 회로 216의 인덕턴스는 누출 인덕턴스 217을 수 배 초과하기 때문에, 유휴 상태인 경우, 자화 회로 216의 인덕턴스에 의해 결정되는 전류 증가는 실제로 존재하지 않는다. 공진 커패시터에 축적되고 트랜지스터에서 분산되는 에너지는 (0.5U1)2에 비례하게 된다. 즉, 공급 전압이 높은 경우, 상기와 같은 동적 손실의 요소는 여전히 중요시 된다. 이러한 상황은 반브릿지 인버터 회로에 대한 전송의 타당함을 입증하고 있다. 공진 커패시터에 축적된 에너지는 4배나 감소하기 때문이다. Since the inductance of the magnetizing
또한, 본 발명의 전압 변환기에 있어서는, 추가적 인덕턴스 13을 채택함으로써 공진 커패시터 재충전 시, 공진 프로세스 진행 조건을 개선하였다. 이는 추가적 인덕턴스 13을 연결함으로써, 변조각(정지 시간)에서, 인덕턴스에 축적된 에너지의 의존성에 영향을 줌으로써 가능하다. In addition, in the voltage converter of the present invention, the
낮은 부하 전류으로의 피드백 덕분에, 정지 시간은 증가(변조각 감소)하며, 이는 추가적 인덕턴스 13의 충전 시간을 증가시켜서, 그 구간의 마지막에서 그 전류의 양, 그리고 결과적으로 에너지 축적을 증가시킨다. 그리고 이에 의하여 트랜지스터의 온건한 정류가 담보되며, 전력의 동적 손실이 감소한다. Thanks to the feedback to the low load current, the stop time increases (decrease in modulation), which increases the charging time of the
부하 전류가 클 때, 정지 시간은 감소하며, 이로써 추가적 인덕턴스13의 영향은 약화되고, 누출 인덕턴스 및 자화 회로 인덕턴스의 역할은 강화된다. 평균 부하 전류 값에서, 추가적 인덕턴스의 영향은 유휴 상태보다 적지만, 자화 회로 216 인덕턴스 및 누출 인덕턴스의 역할은 증가해서 트랜지스터의 공진 프로세스 및 온건한 정류가 가능한 조건을 담보한다. 자기 코어 211 및 221의 갭 크기를 선택함으로써, 그러한 파라미터의 비율이 선택되며, 이는 트랜지스터의 온건한 정류를 위한 조건을 담보한다. When the load current is large, the down time is reduced, thereby reducing the influence of the
따라서, 본 발명의 전압 변환기는 펄스 특성의 경우를 포함하여 부하 전류가 변화할 때, 온건한 정류 조건을 제공함으로써, 트랜지스터에서 동적 손실의 감소를 담보한다. Thus, the voltage converter of the present invention ensures a moderate rectification condition when the load current changes, including in the case of pulse characteristics, thereby ensuring a reduction in dynamic losses in the transistor.
이러한 기술적 효과는 다음과 같이 이루어진다. 전자기 노드의 각 변압기는 요구되는 출력 전압 수준을 얻기 위한 변압기, 출력 권선에 병렬로 연결된 인덕턴스(자화 회로 인덕턴스) 및 입력 권선에 연속되는 인덕턴스(누출 인덕턴스)의 세 가지 요소의 기능을 제공한다. This technical effect is achieved as follows. Each transformer in the electromagnetic node provides three components: a transformer to achieve the required output voltage level, an inductance (magnetization circuit inductance) connected in parallel to the output winding, and a continuous inductance (leakage inductance) to the input winding.
이러한 인덕턴스들 간의 관계는 갭을 변화시킴으로써 선택된다. 상기한 두 인덕턴스는 쇼트 회로의 경우뿐 아니라 평균 그리고 정격 전류의 경우에도 에너지를 축적하며, 이렇게 축적된 에너지는 커패시터를 재충전하기 위한 공진 프로세스를 진행하기에 충분하다. 이는 파워 트랜지스터의 온건한 정류를 담보한다. The relationship between these inductances is chosen by changing the gap. These two inductances accumulate energy not only for the short circuit but also for the average and rated currents, and this accumulated energy is sufficient to proceed the resonant process for recharging the capacitor. This ensures moderate rectification of the power transistors.
추가적인 인덕턴스는 부하 전류가 낮고 변압기를 통해 공급되는 전압 임펄스 간의 정지 구간이 긴 경우, 요구되는 공진 프로세스 및 트랜지스터의 온건한 정류를 일으키기에 충분한 에너지를 축적할 수 있도록 두 인버터 사이에 연결된다. 이러한 과정은 변압기의 자화 인덕턴스와 누출 인덕턴스만 사용해서는 달성될 수 없다. Additional inductance is connected between the two inverters to provide enough resonant process and enough energy to cause moderate commutation of the transistor when the load current is low and the stopping period between the voltage impulses supplied through the transformer is long. This process cannot be achieved using only the magnetizing and leakage inductances of the transformer.
부하 전류가 변경되면, 상기한 세 인덕턴스의 역할도 자동적으로 재분배되며, 요구되는 온건한 정류가 낮은 동적 손실과 함께 제공된다. 또한, 반브릿지 인버터의 적용으로 인해 공진 커패시터 내에 축적된 에너지가 4배 감소했으며, 결과 적으로 이러한 공진 커패시터들의 재충전과 관련된 동적 손실도 감소되었다. When the load current changes, the roles of the three inductances are also automatically redistributed, and the required moderate commutation is provided with low dynamic losses. In addition, the application of a half-bridge inverter reduced the energy accumulated in the resonant capacitor four times, and consequently the dynamic losses associated with recharging these resonant capacitors.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and implementations are possible, and it is obvious that the present invention falls within the scope of the present invention.
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