KR20100004620A - 전류 스트레스를 개선한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터 - Google Patents

전류 스트레스를 개선한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 전류 스트레스를 개선한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터는, 입력 전압을 스위칭 시키는 스위칭부; 제 1 커패시터가 직렬 연결되고 1차측과 2차측을 갖는 트랜스포머; 상기 트랜스포머의 2차측과 병렬로 연결된 제 1 및 제 2 스위치와 제 2 커패시터를 갖는 보조 회로부; 상기 보조 회로부에 연결되고 출력 인덕터가 제거된 정류부;를 포함할 수 있다.
Figure P1020080064892
전류 스트레스, 출력 인덕터, 영전압 스위칭, 누설 인덕터, 위상 천이 풀 브릿지 컨버터

Description

전류 스트레스를 개선한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터{Phase shift full bridge converter reduced current stress}
본 발명은 위상 천이 풀 브릿지 컨버터에 관한 것으로, 출력 인덕터를 제거하고 트랜스포머의 2차측에 보조 회로부를 추가하여 전류 스트레스를 개선한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터에 관한 것이다.
최근의 전원 공급 장치는 일반적으로 상용 입력 라인(85Vac~265Vac)으로부터 역률 개선 회로를 거쳐서 DC/DC 전원단으로 전력이 공급되며, DC/DC 전원단에서 부하에서 원하는 전력으로 변환하게 된다.
역률 개선 회로를 사용하는 이유는 최근 국제적으로 고조파 규제가 강화됨에 따라 그 규제를 만족시키기 위함이다. 역률 개선 회로는 주로 부스트 컨버터를 사용하게 되는데, 부스트 컨버터의 특성상 출력이 항상 입력보다 높아지게 된다. 따라서, 역률 개선 회로의 출력, 즉 DC/DC 전원단의 입력은 385Vdc~415Vdc 이 되며 DC/DC 전원단의 입장에서는 역률 개선 회로의 사용시 필수적으로 고 입력 전압 사양이 요구됨을 알 수 있다.
DC/DC 전원단의 출력으로는 저 전압, 대 전류의 출력 사양이 요구되고 있는 것이 최근의 추세이다. 통신기기 및 프로세서의 소비전력을 줄이기 위한 방법으로 저전압에서 구동하는 프로세서가 많아지고 있다. 또한, 사용자의 편의를 위하여 각 프로세서들의 기능들이 많아지게 되고, 그에 따라 각 프로세서에서 소비되는 전력이 커지게 되었다. 따라서, 대부분의 DC/DC 전원 장치의 경우 저전압, 대전류의 출력 사양을 갖게 되었다.
이와 같이, 최근의 DC/DC 전원단은 고 입력 전압, 저 출력 전압, 대 출력 전류의 사양으로 1차측에서는 전압 스트레스, 2차측에서는 전류 스트레스가 주된 고려사항이 되었다. 또한, 전원 장치의 고전력 밀도를 위해서는 단순한 구조 및 작은 부피를 가져야 한다. 이를 이루기 위해서는 일반적으로 스위칭 주파수를 높게 가져가서 출력 필터와 입력 필터를 작게 만든다. 하지만, 스위칭 주파수가 높아질수록 스위칭 시 발생하는 손실로 인해 전체적인 효율이 감소하게 되므로 스위칭 손실을 줄일 수 있는 영전압 스위칭이 필수사항이 된다. 또한 출력부의 정류단을 다이오드 대신 동기 정류기를 사용하여 도통 손실을 줄여야 한다. 이와 같은 고려사항을 만족하기 위해서 주로 사용되는 것이 위상 천이 풀 브릿지 컨버터이다.
기존의 위상 천이 풀 브릿지 컨버터는 듀티가 작을 시 환류 전류가 존재하게 되고, 지상 레그 스위치의 영전압 스위칭 영역이 좁다. 또한, 대 전류인 부하 전류가 흐르는 곳에 출력 인덕터가 존재하게 되어서 큰 부피를 차지함과 동시에 자성 소자에서의 코어 손실 및 도통 손실에 의한 전력 손실이 존재한다. 따라서, 현재와 같은 고 입력 전압, 저 출력 전압, 대 출력 전류와 같은 전원 장치의 사양에서는 위상 천이 풀 브릿지 컨버터가 적합하지만 대 출력 전류 사양에 의한 큰 부피의 출력 인덕터를 사용해야 한다는 문제점이 있었다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여 출력 인덕터가 존재하지 않는 위상 천이 풀 브릿지 컨버터가 제시 되었으나, 이와 같은 경우 출력 인덕터 역할을 트랜스포머의 누설 인덕터가 대신하게 됨으로써 2차측에 흐르는 전류는 불연속 전도 모드(discontinuous conduction mode)로 동작하게 되어 대 전류의 부하 전류를 공급하기 위해서는 2차측의 동기 정류기의 전류 스트레스가 커지는 문제점이 있었다.
따라서, 상기의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 출력 인덕터를 제거하고 트랜스포머의 2차측에 보조 회로부를 추가하여 전류 스트레스를 개선한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 전류 스트레스를 개선한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터는, 입력 전압을 스위칭 시키는 스위칭부; 제 1 커패시터가 직렬 연결되고 1차측과 2차측 을 갖는 트랜스포머; 상기 트랜스포머의 2차측과 병렬로 연결된 제 1 및 제 2 스위치와 제 2 커패시터를 갖는 보조 회로부; 상기 보조 회로부에 연결되고 출력 인덕터가 제거된 정류부;를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 트랜스포머는 누설 인덕터를 갖고, 상기 누설 인덕터와 상기 제 1 커패시터의 공진을 이용하여 전류 스트레스를 저감시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 보조 회로부는, 제 1 스위치; 상기 제 1 스위치에 연결된 제 2 커패시터; 상기 제 2 커패시터에 연결된 제 2 스위치;를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 보조 회로부는 동기 정류기의 환류 구간이 끝남과 동시에 동작을 하여 상기 트랜스포머의 2차측에 흐르는 전류를 증가시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 정류부는 두 개의 동기 정류기와 하나의 출력 커패시터로 이루어지고, 출력 인덕터가 제거된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 출력 인덕터를 제거하고도 출력 인덕터가 존재할 때와 유사하게 2차측의 전류 스트레스를 저감시키는 위상 천이 풀 브릿지 컨버터를 제공함으로써, 대 출력 전류가 도통하는 경로가 보다 단순한 구조를 갖게 되며 부피를 차지하던 자성소자를 사용하지 않게 됨으로써 이로 인한 코어 손실 및 도통 손실을 제거할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이 밖에도 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명에 따른 전류 스트레스를 개선한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 회로도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 전류 스트레스를 개선한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터는 스위칭부(11), 트랜스포머(12), 보조 회로부(13), 정류부(14)를 포함한다.
스위칭부(11)는 풀 브릿지 형태의 4개의 스위치를 통하여 입력 전압을 스위칭 시킨다.
트랜스포머(12)는 제 1 커패시터(Cr)가 직렬 연결되고 1차측과 2차측을 갖는다. 또한, 트랜스포머(12)는 누설 인덕터(Llkg)를 갖고 상기 누설 인덕터(Llkg)와 제 1 커패시터(Cr)의 공진을 이용하여 전류 스트레스를 저감시킨다.
보조 회로부(13)는 트랜스포머(12)의 2차측과 병렬로 연결된 제 1 스위치(Ma1), 제 2 스위치(Ma2), 제 2 커패시터(Ca)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 커패시터는(Ca)는 제 1 스위치(Ma1)와 제 2 스위치(Ma2) 사이에 연결되어 있다.
정류부(14)는 보조 회로부(13)에 연결되고 출력 인덕터가 제거된 것을 특징으로 한다.
정류부(14)는 두 개의 동기 정류기와 하나의 출력 커패시터로 이루어져 있으며, 기존의 위상 천이 풀 브리지 컨버터에서 큰 부피를 차지하는 출력 인덕터를 제거한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전류 스트레스를 개선한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터는 출력 인덕터가 존재하지 않을 때에도 2차측의 전류 스트레스를 출력 인덕터가 존재할 때와 유사하게 만들어 줄 수 있다.
보조 회로부(13)는 동기 정류기의 환류 구간이 끝남과 동시에 동작을 하여 2차측에 흐르는 전류를 증가시킨다. 출력 인덕터가 존재 하지 않으므로 출력 전압은 출력 커패시터로 들어가는 전류에 의해 결정되고, 2차측의 전류가 사각의 형태를 가질 경우 전류 스트레스는 출력 인덕터가 존재하는 경우와 거의 유사하게 된다.
도 2는 출력 인덕터가 없는 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 1차측 전류 파형을 나타낸 도면이고, 도 3은 출력 인덕터가 제거되고 보조 회로부를 포함하는 본 발명에 따른 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 1차측 전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 2를 참고하면, 출력 인덕터가 없는 경우 Sa가 부하 전류에 해당하는 값이 된다. 이 경우 전류가 급격하게 증가하여 전류 스트레스가 증가된 것임을 알 수 있다. 출력 인덕터가 제거되고 보조 회로부를 포함하는 본 발명에 따른 위상 천이 풀 브릿지 컨버터는 도 3과 같이 전류 스트레스가 급격히 증가하지 않고 일정하게 증가되어 전류 스트레스를 출력 인덕터가 존재할 경우와 유사하게 만들 수 있음을 보 여준다.
도 4는 출력 인덕터의 유, 무에 따른 기존의 위상 천이 풀 브릿지 컨버터, 본 발명에 따른 위상 천이 풀 브릿지 컨버터에 대한 2차측 전류 스트레스를 비교한 도면이다.
도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 위상 천이 풀 브릿지 컨버터(42)는 보조 회로부의 동작에 의해 전류 스트레스가 출력 인덕터가 없는 기존의 위상 천이 풀 브릿지 컨버터(41)에 비하여 작음을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 위상 천이 풀 브릿지 컨버터(42)의 전류 스트레스는 출력 인덕터가 있는 기존의 위상 천이 풀 브릿지 컨버터(43)의 전류 스트레스와 거의 같음을 확인할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전류 스트레스를 개선한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 회로도이다.
도 2는 출력 인덕터가 없는 기존의 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 1차측 전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 3은 출력 인덕터가 제거되고 보조 회로부를 포함하는 본 발명에 따른 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 1차측 전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 4는 출력 인덕터의 유, 무에 따른 기존의 위상 천이 풀 브릿지 컨버터, 본 발명에 따른 위상 천이 풀 브릿지 컨버터에 대한 2차측 전류 스트레스를 비교한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11: 스위칭부 12: 트랜스포머
13: 보조 회로부 14: 정류부
Cr: 제 1 커패시터 Ca: 제 2 커패시터

Claims (5)

  1. 입력 전압을 스위칭 시키는 스위칭부;
    제 1 커패시터가 직렬 연결되고 1차측과 2차측을 갖는 트랜스포머;
    상기 트랜스포머의 2차측과 병렬로 연결된 제 1 및 제 2 스위치와 제 2 커패시터를 갖는 보조 회로부;
    상기 보조 회로부에 연결되고 출력 인덕터가 제거된 정류부;를 포함하는 전류 스트레스를 개선한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜스포머는 누설 인덕터를 갖고, 상기 누설 인덕터와 상기 제 1 커패시터의 공진을 이용하여 전류 스트레스를 저감시키는 전류 스트레스를 개선한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조 회로부는,
    제 1 스위치;
    상기 제 1 스위치에 연결된 제 2 커패시터;
    상기 제 2 커패시터에 연결된 제 2 스위치;를 포함하는 전류 스트레스를 개선한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조 회로부는 동기 정류기의 환류 구간이 끝남과 동시에 동작을 하여 상기 트랜스포머의 2차측에 흐르는 전류를 증가시키는 전류 스트레스를 개선한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 정류부는 두 개의 동기 정류기와 하나의 출력 커패시터로 이루어지고, 출력 인덕터가 제거된 것을 특징으로 하는 전류 스트레스를 개선한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터.
KR1020080064892A 2008-07-04 2008-07-04 전류 스트레스를 개선한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터 KR100940227B1 (ko)

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