KR20100025977A - 높은 승압비를 갖는 고효율 직류변환기 - Google Patents
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Abstract
고전류-저전압 입력에 대한 고전압 출력을 내는 높은 승압비를 갖는 고효율 직류변환기가 개시된다. 본 발명의 높은 승압비를 갖는 고효율 직류변환기는, 변압기의 일차측에 능동클램프 회로와 전류더블러(current doubler) 회로를 형성하고, 변압기의 이차측에 직렬공진 회로를 구비하는 전압더블러(voltage doubler) 회로를 형성함으로써, 직류변환기 이차측의 다이오드의 역회복 손실을 줄일 뿐만 아니라, 직류변환기 일차측 능동클램프 회로가 누설인덕턴스에 저장된 에너지의 방전경로를 제공하여 누설인덕턴스의 에너지를 회생시키며, 상기 전류더블러 회로를 통하여 변압기 일차측 전류를 반으로 낮추어 도통 손실을 감소시켜 전력변환 효율을 높일 수 있다.
고효율, 직류, 변환기, 전류더블러, 전압더블러, 능동클램프
Description
본 발명은 고전류-저전압 입력에 대한 고전압 출력을 내는 높은 승압비를 갖는 고효율 직류변환기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 변압기의 일차측에 능동클램프 회로와 전류더블러(current doubler) 회로를 형성하고, 변압기의 이차측에 직렬공진 회로를 구비하는 전압더블러(voltage doubler) 회로를 형성함으로써, 직류변환기 이차측의 다이오드의 역회복 손실을 줄일 뿐만 아니라, 직류변환기 일차측 능동클램프 회로가 누설인덕턴스에 저장된 에너지의 방전경로를 제공하여 누설인덕턴스의 에너지를 회생시키며, 상기 전류더블러 회로를 통하여 변압기 일차측 전류를 반으로 낮추어 도통 손실을 감소시켜 전력변환 효율을 높일 수 있는 높은 승압비를 갖는 고효율 직류변환기에 관한 것이다.
일반적으로 종래에는 높은 승압비를 갖는 직류 변환기로서, 고전류-저전압 입력에 대한 고전압 출력, 즉 높은 승압비를 내기 위하여 주로 도 1에 도시한 전류원 푸쉬풀 변환기(current-source push-pull converter)(10)를 사용한 직류변환기가 주로 사용되고 있다. 도 1에서 부재번호 20은 변압기 이차측에 형성되는 센터탭 전파출력정류회로를 나타내며, 부재번호 30은 출력전압(Vo)을 입력받아 전류원 푸쉬풀 변환기(10)의 두 스위치(S1, S2)를 제어하기 위한 신호를 발생하는 출력전압 제어회로부를 나타낸다.
도 1에 도시된 전류원 푸쉬풀 직류변환기(10)는 다음과 같이 동작한다. 두 스위치(S1, S2)의 시비율(duty ratio: 스위칭 시간에 대한 도통 시간의 비율, Ton/Ts)은 서로 같고 반 주기만큼의 위상차를 가지면서 제어된다. 두 스위치(S1, S2)의 시비율은 0.5보다 항상 커서 두 개의 스위치(S1, S2)가 모두 소거된 상태(off state)는 존재하지 않는다. 두 스위치(S1, S2)가 모두 도통 상태(on state)일 때 변압기(T)의 일차측 권선에 걸리는 전압은 영이고, 입력인덕터(L)에는 입력전압(Vi)이 인가되어 인덕터 전류는 상승하여 에너지가 저장된다. 여기서 변압기(T)의 일차측 턴수는 N1이며 변압기(T)의 이차측 턴수는 N2이다. 두 스위치(S1, S2) 중 하나만 도통될 때는 입력전압(Vi)과 입력인덕터(L)에 저장된 에너지가 이차측 출력으로 넘어간다. 이는 부스트 컨버터(boost converter)의 동작과 유사하며 입력전류의 리플(ripple)이 작고 스위치(S1, S2)들의 도통 시간이 길어 스위치의 도통 손실(conduction loss)이 작은 특징을 지닌다. 따라서 입력전압이 낮고 입력전류가 클 때 적합하다.
그러나, 도 1에 도시한 바와 같은 전류원 푸쉬풀 변환기에서는 인덕터 전류 가 흐르는 통로가 항상 존재하여야 함으로 스위치(S1, S2)의 시비율이 항상 0.5보다 크며 따라서 두 스위치(S1, S2)가 동시에 도통하는 구간이 존재한다. 이에 따라 시비율의 사용범위가 좁으며 2개의 스위치(S1, S2)에 걸리는 내압이 최대입력전압의 2배보다 크며 넓은 입력전압에 대하여 동작하는 것을 어렵게 한다. 또한 변압기(T)의 누설인덕턴스(leakage inductance)에 저장된 에너지로 인한 스위칭 소자의 망실을 방지하기 위해 주로 사용되는 수동 스너버(snubber) 회로는 변환기의 전력변환효율(power conversion efficiency)을 감소시킨다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 변압기의 일차측에 능동클램프 회로와 전류더블러(current doubler) 회로를 형성하고, 변압기의 이차측에 직렬공진 회로를 구비하는 전압더블러(voltage doubler) 회로를 형성함으로써, 직류변환기 이차측의 다이오드의 역회복 손실을 줄일 뿐만 아니라, 직류변환기 일차측 능동클램프 회로가 누설인덕턴스에 저장된 에너지의 방전경로를 제공하여 누설인덕턴스의 에너지를 회생시키며, 상기 전류더블러 회로를 통하여 변압기 일차측 전류를 반으로 낮추어 도통 손실을 감소시켜 전력변환 효율을 높일 수 있는 높은 승압비를 갖는 고효율 직류변환기를 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 변압기를 포함하는 직류변환기에 있어서, 상기 변압기의 일차측에 마련되며, 2개의 입력인덕터(L1, L2)와 주스위치(S1, S2)로 이루어지는 전류더블러 회로부; 상기 전류더블러 회로부와 연결되며, 보조스위치(S3, S4)와 클램프 콘덴서(CC)로 이루어지는 능동클램프 회로부; 및 상기 변압기의 이차측에 마련되며, 상기 변압기의 누설인덕턴스(Llk)와 콘덴서(Cr)로 이루어지는 직렬공진 회로부 및 2개의 다이오드(D1, D2)를 포함하여 구성된 전압더블러 회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류변환기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 변압기를 포함하는 직류변환기에 있어서, 상기 변압기의 일차측에 마련되며, 2개의 입력인덕터(L
1
, L
2
)와 주스위치(S
1
, S
2
)로 이루어지는 전류더블러(current doubler) 회로부; 상기 전류더블러 회로부와 연결되며, 보조스위치(S
3
, S
4
)와 클램프 콘덴서(C
C
)로 이루어지는 능동클램프 회로부; 및 상기 변압기의 이차측에 마련되는 반파출력정류회로(410)로서 2개의 다이오드(D
1
, D
2
) 및 2개의 콘덴서(C
r1
, C
r2
)로 구성되는 반파출력정류회로부를 포함하고, 상기 2개의 콘덴서(C
r1
, C
r2
)는 공진 콘덴서(C
r
=C
r1
+C
r2
)를 형성하는 것을 특징으로 하는 직류 변환기를 제공할 수 있다.
나아가, 본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 변압기를 포함하는 직류변환기에 있어서, 상기 변압기의 일차측에 마련되며, 2개의 입력인덕터(L
1
, L
2
)와 주스위치(S
1
, S
2
)로 이루어지는 전류더블러(current doubler) 회로부; 상기 전류더블러 회로부와 연결되며, 보조스위치(S
3
, S
4
)와 클램프 콘덴서(C
C
)로 이루어지는 능동클램프 회로부; 및 상기 변압기의 이차측에 마련되는 센터탭 정류회로(420)로서 2개의 다이오드(D
1
, D
2
) 및 2개의 콘덴서(C
r1
, C
r2
)로 구성되는 센터탭 정류회로부를 포함하고, 상기 2개의 콘덴서(C
r1
, C
r2
)는 공진 콘덴서(C
r
=C
r1
+C
r2
)를 형성하는 것을 특징으로 하는 직류 변환기를 제공할 수 있다.
더불어서, 본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 변압기를 포함 하는 직류변환기에 있어서, 상기 변압기의 일차측에 마련되며, 2개의 입력인덕터(L
1
, L
2
)와 주스위치(S
1
, S
2
)로 이루어지는 전류더블러(current doubler) 회로부; 상기 전류더블러 회로부와 연결되며, 보조스위치(S
3
, S
4
)와 클램프 콘덴서(C
C
)로 이루어지는 능동클램프 회로부; 및 상기 변압기의 이차측에 마련되는 전파출력정류회로(430)로서 4개의 다이오드(D
1
, D
2
, D
3
, D
4
) 및 1개의 콘덴서(C
r
)로 이루어지는 전파출력정류회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 변환기를 제공할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 높은 승압비를 갖는 고효율 직류변환기는, 직류변환기 이차측의 다이오드의 역회복 손실을 줄일 뿐만 아니라, 직류변환기 일차측 능동클램프 회로가 누설인덕턴스에 저장된 에너지의 방전경로를 제공하여 누설인덕턴스의 에너지를 회생시키며, 상기 전류더블러 회로를 통하여 변압기 일차측 전류를 반으로 낮추어 도통 손실을 감소시켜 전력변환 효율을 높일 수 있는 이점을 제공한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 높은 승압비를 갖는 고효율 직류변환기의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운 용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 높은 승압비를 갖는 고효율 직류변환기의 회로 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 고효율 직류변환기의 동작 파형도이고, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 고효율 직류변환기의 이차측에 사용할 수 있는 출력정류회로의 다양한 실시예의 회로 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 직류변환기는 변압기(T)의 일차측에 능동클램프(active-clamp) 회로(150)를 형성하고, 일차측 전류원 전류를 2개로 나누는 전류더블러(current-doubler) 회로(100)를 형성함으로써 변압기 일차측 전류를 반으로 전류부담을 줄인다. 즉, 본 발명에 따른 직류변환기의 변압기(T)의 일차측에는 2개의 입력인덕터(L1, L2), 주스위치(S1, S2)로 이루어지는 전류더블러 회로(100), 및 보조스위치(S3, S4)와 클램프 콘덴서(CC)로 이루어지는 능동클램프 회로(150)가 포함된다. 그리고, 본 발명의 직류변환기의 변압기(T)의 이차측에는 변압기(T)의 누설인덕턴스(Llk)와 콘덴서(Cr)로 이루어지는 직렬공진 회로(210) 및 2개의 다이오드(D1, D2)로 구성된 전압더블러(voltage-doubler) 회로(200)가 포함된다. 적절한 비로 권선된 변압기(T)를 통해 일차측과 이차측은 전기적으로 절연되며, 출력전압(Vo)을 궤환(feedback)받아 주스위치(S1, S2)의 시비율을 조절함으로써 출력전압(Vo)이 조절된다. 도 2에서 부재번호 300은 출력전압(Vo)을 궤환(feedback) 받아 주스위치(S1, S2) 및 보조스위치(S3, S4)의 시비율을 조절함으로써 출력전압(Vo)을 조절하기 위한 출력전압제어회로부를 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시한 본 발명의 직류변환기의 동작을 설명하기 위한 파형도를 나타낸다. 전류더블러 회로(100)의 주스위치(S1)와 능동클램프 회로(150)의 보조스위치(S3)는 짧은 시간의 데드타임(dead time)을 갖고 주어진 스위칭주기(Ts)하에서 스위치 구동신호에 의해 상보적으로 구동된다. 전류더블러 회로(100)의 주스위치(S2)와 능동클램프 회로(150)의 보조스위치(S4)도 동일하게 동작하며, 주스위치(S1, S2)는 서로 동일한 시비율(D = Ton/Ts, Ton은 스위치의 도통 시간을 나타내며, Ts은 스위칭주기를 나타냄)을 가지며 반 주기만큼의 위상차를 갖는다. 도 3에 도시한 S1, S2, S3, S4는 각각 4개의 스위치(S1, S2, S3, S4)의 구동신호를 나타낸다. 2개의 주스위치(S1, S2)가 동시에 도통하는 동안에는 2개의 입력인덕터(L1, L2)에 에너지가 충전되며, 인덕터 전류 iL1은 주스위치(S1)에 흐르며 인덕터 전류 iL2은 주스위치(S2)에 각각 흐른다. 이때 일차측에서 이차측으로 에너지가 전달되지 않는다. 2개의 주스위치 중에 하나만 도통하고 나머지 하나는 소거되는 구간에서는 클램프 콘덴서(CC), 변압기의 누설인덕턴스(Llk), 콘덴서(Cr)은 서로 직렬공진(series resonance)하면서 이차측으로 에너지가 전달된다. 직렬공진의 공진주파수는 누설인 덕턴스(Llk)와 콘덴서(Cr)로서 결정된다. 입력인덕터의 전류(iL1, iL2)는 스위칭 주파수의 해당하는 주파수의 리플 전류를 가지나 2개의 인덕터전류가 합성되는 입력전류(iL1 + iL2)은 2배의 스위칭 주파수를 가지며 전류 리플도 약 반으로 줄어든다. 출력다이오드(D1, D2)의 전류(iD1, iD2)는 주스위치가 소거되기 전 직렬공진에 의해 낮은 전류에 도달하며(공진 주파수가 빠를 경우 영전류가 될 수 있음), 이는 출력다이오드의 역회복 손실(reverse recovery loss)이 줄어들거나 제거될 수 있음을 보여준다.
앞에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따라 능동클램프를 이용한 전류더블러 회로를 사용한 직류변환기는 직렬공진 회로로 구성된 전압더블러 회로를 사용하여 이차측의 다이오드의 역회복 손실을 줄일 뿐만 아니라 일차측 능동클램프 회로가 누설인덕턴스에 저장된 에너지의 방전경로를 제공하여 누설인덕턴스의 에너지를 재활용하게 한다. 이로 인하여 전력변환효율이 높으며 스위치의 전압 스트레스는 종래의 전류원 푸쉬풀 회로보다 작다. 또한 입력인덕터(L1, L2)의 전류(iL1, iL2)는 2개의 주스위치(S1, S2)가 모두 소거되었을 때에도 능동클램프 회로(150)의 콘덴서(Cc)로 흐를 수 있으므로 0.5보다 작은 시비율에서도 동작하여 넓은 입력전압 범위에서도 운전 가능하게 한다. 전류더블러 회로(100)는 변압기 일차측 전류를 반으로 낮추어 도통 손실을 감소시킨다. 이는 고전류-저전압 입력에 대한 고전압 출력을 내는 높은 승압비를 요구하는 직류변환기에 알맞으며 높은 효율을 얻을 수 있다.
도 2에 도시한 전류더블러 회로(100)에서 2개의 입력인덕터(L1, L2)는 하나의 인덕터로 서로 결합된 결합인덕터로 구현될 수 있으며 변압기(T)의 누설인덕턴스(Llk)는 외부에 추가로 인덕터를 사용하여 공진 인덕턴스로 사용될 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 도 2의 직류변환기에서 이차측에 사용할 수 있는 동일한 출력정류회로를 나타내는 회로들로 직렬공진 회로는 변압기의 누설인덕턴스(Llk)와 콘덴서(Cr)로 공진 회로를 이룬다. 도 4a에 도시한 반파출력정류회로(410)와 도 4b에 도시한 센터탭정류회로(420)는 2개의 다이오드(D1, D2) 및 2개의 콘덴서(Cr1, Cr2)로 구성되어, 공진 콘덴서는 Cr=Cr1+Cr2로 되며, 도 4c에 도시한 전파출력정류회로(430)는 4개의 다이오드(D1, D2, D3, D4) 및 1개의 콘덴서(Cr)로 이루어진다.
도 1은 종래의 높은 승압비를 갖는 직류변환기의 회로 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 높은 승압비를 갖는 고효율 직류변환기의 회로 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 고효율 직류변환기의 동작 파형도.
도 4a 내지 도 4c는 각각 본 발명에 따른 고효율 직류변환기의 이차측에 사용할 수 있는 출력정류회로의 다양한 실시예의 회로 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 전류더블러 회로
150 : 능동클램프 회로
200 : 전압더블러 회로(출력정류회로)
300 : 출력전압제어회로부
T : 변압기
S1, S2, S3, S4 : 스위치
Claims (10)
- 변압기를 포함하는 직류변환기에 있어서,상기 변압기의 일차측에 마련되며, 2개의 입력인덕터(L1, L2)와 주스위치(S1, S2)로 이루어지는 전류더블러(current doubler) 회로부;상기 전류더블러 회로부와 연결되며, 보조스위치(S3, S4)와 클램프 콘덴서(CC)로 이루어지는 능동클램프 회로부; 및상기 변압기의 이차측에 마련되며, 상기 변압기의 누설인덕턴스(Llk)와 콘덴서(Cr)로 이루어지는 직렬공진 회로부 및 2개의 다이오드(D1, D2)를 포함하여 구성된 전압더블러(voltage doubler) 회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류변환기.
- 제1항에 있어서,상기 직류변환기의 출력전압(Vo)을 궤환(feedback)받아 상기 주스위치(S1, S2) 및 보조스위치(S3, S4)의 시비율을 조절함으로써 출력전압(Vo)을 조절하기 위한 출력전압제어회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류변환기.
- 제1항에 있어서,상기 전류더블러 회로부의 주스위치(S1, S2)와 상기 능동클램프 회로부의 보조스위치(S3, S4)는 소정의 데드타임(dead time)을 갖고 주어진 스위칭주기하에서 스위치 구동신호에 의해 상보적으로 구동되는 것을 특징으로 하는 직류변환기.
- 제3항에 있어서,상기 주스위치(S1, S2)는 서로 동일한 시비율을 가지며 반 주기만큼의 위상차를 갖는 것을 특징으로 하는 직류변환기.
- 제4항에 있어서,상기 주스위치(S1, S2) 2개가 동시에 도통하는 동안에는 2개의 입력인덕터(L1, L2)에 에너지가 충전되고, 인덕터 전류(iL1)는 주스위치(S1)에 흐르고 인덕터 전류(iL2)는 주스위치(S2)에 각각 흘러 상기 일차측에서 이차측으로 에너지가 전달되지 않는 상태가 되며,상기 주스위치(S1, S2) 2개 중에서 하나만 도통하고 나머지 하나는 소거되는 구간에서는 상기 클램프 콘덴서(CC)와 누설인덕턴스(Llk) 및 콘덴서(Cr)은 서로 직렬공진(series resonance)하면서 이차측으로 에너지를 전달하는 것을 특징으로 하는 직류변환기.
- 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,상기 입력인덕터(L1, L2)의 전류(iL1, iL2)는 스위칭 주파수의 해당하는 주파수의 리플 전류를 가지며,상기 2개의 인덕터전류(iL1, iL2)가 합성되는 입력전류(iL1 + iL2)는 2배의 스위칭 주파수를 가지며 전류 리플도 약 반으로 줄어드는 것을 특징으로 하는 직류변환기.
- 제1항에 있어서,상기 전류더블러 회로부에 포함된 2개의 입력인덕터(L1, L2)는 하나의 인덕터로 서로 결합된 결합인덕터로 구현되고, 상기 변압기(T)의 누설인덕턴스(Llk)는 외부에 추가로 인덕터를 사용하여 공진 인덕턴스로 사용되는 것을 특징으로 하는 직류변환기.
- 변압기를 포함하는 직류변환기에 있어서,상기 변압기의 일차측에 마련되며, 2개의 입력인덕터(L1, L2)와 주스위치(S1, S2)로 이루어지는 전류더블러(current doubler) 회로부;상기 전류더블러 회로부와 연결되며, 보조스위치(S3, S4)와 클램프 콘덴서(CC)로 이루어지는 능동클램프 회로부; 및상기 변압기의 이차측에 마련되는 반파출력정류회로(410)로서 2개의 다이오드(D1, D2) 및 2개의 콘덴서(Cr1, Cr2)로 구성되는 반파출력정류회로부를 포함하고,상기 2개의 콘덴서(Cr1, Cr2)는 공진 콘덴서(Cr=Cr1+Cr2)를 형성하는 것을 특징으로 하는 직류 변환기.
- 변압기를 포함하는 직류변환기에 있어서,상기 변압기의 일차측에 마련되며, 2개의 입력인덕터(L1, L2)와 주스위치(S1, S2)로 이루어지는 전류더블러(current doubler) 회로부;상기 전류더블러 회로부와 연결되며, 보조스위치(S3, S4)와 클램프 콘덴서(CC)로 이루어지는 능동클램프 회로부; 및상기 변압기의 이차측에 마련되는 센터탭 정류회로(420)로서 2개의 다이오드(D1, D2) 및 2개의 콘덴서(Cr1, Cr2)로 구성되는 센터탭 정류회로부를 포함하고,상기 2개의 콘덴서(Cr1, Cr2)는 공진 콘덴서(Cr=Cr1+Cr2)를 형성하는 것을 특징으로 하는 직류 변환기.
- 변압기를 포함하는 직류변환기에 있어서,상기 변압기의 일차측에 마련되며, 2개의 입력인덕터(L1, L2)와 주스위치(S1, S2)로 이루어지는 전류더블러(current doubler) 회로부;상기 전류더블러 회로부와 연결되며, 보조스위치(S3, S4)와 클램프 콘덴서(CC)로 이루어지는 능동클램프 회로부; 및상기 변압기의 이차측에 마련되는 전파출력정류회로(430)로서 4개의 다이오드(D1, D2, D3, D4) 및 1개의 콘덴서(Cr)로 이루어지는 전파출력정류회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 변환기.
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