KR20100023304A - 직류/직류 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직류/직류 변환 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예는 입력 인덕터, 상기 입력 인덕터에 연결되는 공진 인덕터와, 상기 입력 인덕터에 연결되는 제 1 공진 커패시터와, 상기 공진 인덕터에 연결되는 제 2 공진 커패시터를 포함하는 공진부, 상기 공진 인덕터에 연결되는 제 1 스위칭 소자와, 상기 제 1 스위칭 소자에 역방향으로 병렬 연결되는 제 1 역방향 다이오드를 포함하는 제 1 스위칭부, 상기 제 1 공진 커패시터와 상기 제 1 스위칭 소자 사이에 연결되는 제 1 다이오드, 상기 제 1 공진 커패시터와 상기 공진 인덕터 사이에 연결되는 제 2 다이오드, 상기 제 2 공진 커패시터에 연결되는 제 2 스위칭 소자와, 상기 제 2 스위칭 소자에 역방향으로 병렬 연결되는 제 2 역방향 다이오드를 포함하는 제 2 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭 소자에 연결되는 평활 커패시터를 포함하여 된 것이다.
직류/직류, 소프트 스위칭, 3상

Description

직류/직류 변환 장치{DEVICE FOR CONVERTING DC/DC}
본 발명은 직류/직류 변환 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 직류/직류 변환 장치는 직류 전압의 레벨을 조정하며, 대표적인 직류/직류 변환 장치로는 부스터 컨버터가 있다.
부스터 컨버터는 작은 직류 전압을 입력받아 보다 큰 전압 레벨로 승압하여 출력 전압을 제공한다.
이러한 부스터 컨버터는 태양광 발전의 전력 조절 시스템(Power Conditioning System; PCS)에 사용되고 있다.
그런데 상술한 부스터 컨버터는 스위칭 소자를 포함하고 있으며, 이러한 스위칭 소자의 턴온과 턴오프시 전력 손실을 발생되며, 전자파 장해(Electro Magnetic Interference; EMI) 노이즈가 유발되는 문제점이 있었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직류/직류 변환 장치는 전력 손실과 전자파 장해(Electro Magnetic Interference; EMI) 노이즈를 효과적으로 감소시킬 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 당업자)에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직류/직류 변환 장치는 입력 인덕터, 상기 입력 인덕터에 연결되는 공진 인덕터와, 상기 입력 인덕터에 연결되는 제 1 공진 커패시터와, 상기 공진 인덕터에 연결되는 제 2 공진 커패시터를 포함하는 공진부, 상기 공진 인덕터에 연결되는 제 1 스위칭 소자와, 상기 제 1 스위칭 소자에 역방향으로 병렬 연결되는 제 1 역방향 다이오드를 포함하는 제 1 스위칭부, 상기 제 1 공진 커패시터와 상기 제 1 스위칭 소자 사이에 연결되는 제 1 다이오드, 상기 제 1 공진 커패시터와 상기 공진 인덕터 사이에 연결되는 제 2 다이오드, 상기 제 2 공진 커패시터에 연결되는 제 2 스위칭 소자와, 상기 제 2 스위칭 소자에 역방향으로 병렬 연결되는 제 2 역방향 다이오드를 포함하는 제 2 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭 소자에 연결되는 평활 커패시터를 포함한다.
본 발명의 실시예들은 모든 스위칭 소자가 소프트 스위칭하므로, 전력 손실과 전자파 장해(Electro Magnetic Interference; EMI) 노이즈를 효과적으로 감소시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 직류/직류 변환 장치의 회로도이고, 도 2은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 직류/직류 변환 장치의 회로도이며, 도 3은 도 1 및 도 2의 공통 등가 회로도이고, 도 4는 도 3의 회로도의 신호 파형도이며, 도 5a 내지 도 5i는 각 동작 모드에 대한 전류의 흐름을 도시한 회로도이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 직류/직류 변환 장치는 첨부 도면 도 1에 도시된 것처럼, 입력 인덕터(L), 공진부(300), 제 1 스위칭부(100), 제 1 다이오드(D10), 제 2 다이오드(D20), 제 2 스위칭부(200) 및 평활 커패시터(Co)를 포함하여 구성될 수 있다.
입력 인덕터(L)에는 입력 전압(Vin)이 인가되고, 공진부(300)는 입력 인덕 터(L)에 연결되는 공진 인덕터(Lr)와, 입력 인덕터(L)에 연결되는 제 1 공진 커패시터(Cr1)와, 공진 인덕터(Lr)에 연결되는 제 2 공진 커패시터(Cr2)를 포함한다.
또한, 제 1 스위칭부(100)는 공진 인덕터(Lr)에 연결되는 제 1 스위칭 소자(S1)와, 제 1 스위칭 소자(S1)에 역방향으로 병렬 연결되는 제 1 역방향 다이오드(D1)를 포함한다.
여기에서, 제 1 스위칭 소자(S1)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 모스 트랜지스터(MOS FET; Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)로 구성될 수 있고, 제 1 역방향 다이오드(D1)는 제 1 스위칭 소자(S1)가 IGBT인 경우에는 별도로 다이오드를 도 1에 도시된 것처럼 제 1 스위칭 소자(S1)에 역방향으로 병렬 연결하며, 제 1 스위칭 소자(S1)가 모스 트랜지스터인 경우에는 모스 트랜지스터에 기생하는 바디 다이오드를 이용할 수 있다.
한편, 제 1 다이오드(D10)는 제 1 공진 커패시터(Cr1)와 제 1 스위칭 소자(S1) 사이에 연결되며, 제 2 다이오드(D20)는 제 1 공진 커패시터(Cr1)와 공진 인덕터(Lr) 사이에 연결된다.
또한, 제 2 스위칭부(200)는 제 2 공진 커패시터(Cr2)에 연결되는 제 2 스위칭 소자(S2)와, 제 2 스위칭 소자(S2)에 역방향으로 병렬 연결되는 제 2 역방향 다이오드(D2)를 포함하며, 평활 커패시터(Co)는 제 2 스위칭 소자(S2)에 연결된다.
여기에서, 제 2 스위칭 소자(S2)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 모스 트랜지스터(MOS FET; Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)로 구성될 수 있고, 제 2 역방향 다이오드(D2)는 제 2 스위칭 소자(S2)가 IGBT인 경우에는 별도로 다이오드를 도 1에 도시된 것처럼 제 2 스위칭 소자(S2)에 역방향으로 병렬 연결하며, 제 2 스위칭 소자(S2)가 모스 트랜지스터인 경우에는 모스 트랜지스터에 기생하는 바디 다이오드를 이용할 수 있다.
제 1 실시예에는 인버터 스위칭 소자(S11, S12, S13, S14)와 역방향 다이오드(D11, D12, D13, D14)를 포함하는 단상 인버터(1100)와, 인덕터(Lf)와 커패시터(Cf)를 포함하는 출력 필터(1200)가 연결된다.
제 2 실시예는 제 1 실시예와 다른 점에 대해서 설명한다.
제 2 실시예는 인버터 스위칭 소자(S21, S22, S23, S24, S25, S26)와 역방향 다이오드(D21, D22, D23, D24, D25, D26)를 포함하는 3상 인버터(2100)와, 인덕터(La, Lb, Lc)와 커패시터(Ca, Cb, Cc)를 포함하는 출력 필터(2200)가 연결된다.
제 1 실시예와 제 2 실시예는 도 3에 도시된 것처럼, 인버터 스위칭 소자(Sinv)와, 역방향 다이오드(Dinv)와, 전류원(Io)을 포함하는 것으로 등가될 수 있다.
구체적인 동작은 도 4 및 도 5a 내지 도 5i를 참조하여 설명한다.
모드 1에서는 제 1 스위칭 소자(S1)가 영전류 조건으로 턴온되어 도 5a에 도시된 것과 같은 전류 경로가 형성되며, 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)는 선형적으로 증가한다.
모드 2에서는 공진 인덕터(Lr)의 전류(iL)와 입력 인덕터(L)의 전류(iLr)가 같아지며, 도 5b에 도시된 것과 같은 전류 경로가 형성되고, 공진 인덕터(Lr)와 제 1 공진 커패시터(Cr1)가 공진하여 제 1 공진 커패시터(Cr1)의 전압(Vcr1)이 출력 전압(Vo)에서 0으로 감소된다.
모드 3에서는 입력 인덕터(L)의 전류(iL)는 선형적으로 상승하고, 도 5c에 도시된 것과 같은 전류 경로가 형성되며, 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)는 제 1 다이오드(D10)와 제 2 다이오드(D20)를 통해서 환류되고, 인버터 스위칭 소자(Sinv)가 영전압 조건으로 턴온된다.
모드 4에서는 제 1 스위칭 소자(S1)가 턴오프되고, 도 5d에 도시된 것과 같은 전류 경로가 형성되며, 공진 인덕터(Lr)와 제 2 공진 커패시터(Cr2)가 공진한다. 제 2 공진 커패시터(Cr2)의 전압(Vcr2)은 피크로 증가된다.
모드 5에서는 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)의 방향이 바뀌면 공진은 도 5e에 도시된 것처럼, 제 1 다이오드(D10), 제 2 공진 커패시터(Cr2), 공진 인덕터(Lr) 및 인버터 스위칭 소자(Sinv)의 경로로 진행된다. 제 2 공진 커패시터(Cr2)의 전압(Vcr2)은 0으로 감소된다.
모드 6에서는 제 1 역방향 다이오드(D1)가 턴온되고, 도 5f에 도시된 것과 같은 전류 경로가 형성되며, 공진 인덕터(Lr)의 전류가 제 1 역방향 다이오드(D1), 공진 인덕터(Lr) 및 인버터 스위칭 소자(Sinv)의 경로로 환류된다.
모드 7에서는 도 5g에 도시된 것과 같은 전류 경로가 형성되며, 인버터 스위칭 소자(Sinv)의 전압이 0에서 출력 전압(Vo)으로 상승한다.
모드 8에서는 도 5h에 도시된 것과 같은 전류 경로가 형성되며, 제 1 공진 커패시터(Cr1)의 전압(Vcr1)이 출력 전압(Vo)과 같아지면 제 2 역방향 다이오드(D2)를 통해서 전류가 흐르고 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)는 선형적으로 감소한 다. 제 2 스위칭 소자(S2)는 영전압 조건으로 턴온된다.
모드 0에서는 도 5i에 도시된 것과 같은 전류 경로가 형성되며, 부하로 에너지가 전달된다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다.
오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 직류/직류 변환 장치의 회로도.
도 2은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 직류/직류 변환 장치의 회로도.
도 3은 도 1 및 도 2의 공통 등가 회로도.
도 4는 도 3의 회로도의 신호 파형도.
도 5a 내지 도 5i는 각 동작 모드에 대한 전류의 흐름을 도시한 회로도.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
100: 제 1 스위칭부
200: 제 2 스위칭부
300: 공진부

Claims (7)

  1. 입력 인덕터;
    상기 입력 인덕터에 연결되는 공진 인덕터와, 상기 입력 인덕터에 연결되는 제 1 공진 커패시터와, 상기 공진 인덕터에 연결되는 제 2 공진 커패시터를 포함하는 공진부;
    상기 공진 인덕터에 연결되는 제 1 스위칭 소자와, 상기 제 1 스위칭 소자에 역방향으로 병렬 연결되는 제 1 역방향 다이오드를 포함하는 제 1 스위칭부;
    상기 제 1 공진 커패시터와 상기 제 1 스위칭 소자 사이에 연결되는 제 1 다이오드;
    상기 제 1 공진 커패시터와 상기 공진 인덕터 사이에 연결되는 제 2 다이오드;
    상기 제 2 공진 커패시터에 연결되는 제 2 스위칭 소자와, 상기 제 2 스위칭 소자에 역방향으로 병렬 연결되는 제 2 역방향 다이오드를 포함하는 제 2 스위칭부; 및
    상기 제 2 스위칭 소자에 연결되는 평활 커패시터를 포함하는 직류/직류 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭 소자는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)인 것을 특징으로 하는 직류/직류 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭 소자는 모스 트랜지스터(MOS FET; Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)인 것을 특징으로 하는 직류/직류 변환 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제 1 역방향 다이오드는 상기 모스 트랜지스터에 기생하는 바디 다이오드인 것을 특징으로 하는 직류/직류 변환 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제 2 스위칭 소자는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)인 것을 특징으로 하는 직류/직류 변환 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제 2 스위칭 소자는 모스 트랜지스터(MOS FET; Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)인 것을 특징으로 하는 직류/직류 변환 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제 2 역방향 다이오드는 상기 모스 트랜지스터에 기생하는 바디 다이오드인 것을 특징으로 하는 직류/직류 변환 장치.
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