KR20100082084A - Boost converter using soft-swiching - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 부스트 컨버터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 영전압 턴온과 영전류 턴오프 기능을 동시에 가진 새로운 부스트 방식의 소프트-스위칭 컨버터인 소프트 스위칭 기법을 이용한 부스트 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to a boost converter, and more particularly, to a boost converter using a soft switching technique, a new boost type soft-switching converter having a zero voltage turn-on and a zero current turn-off function.
스위칭 모드 파워 서플라이(SMPS; switching mode power supply)에서는 스위칭 주파수를 가능한 한 높게 하는 것이 여러 가지 면에서 유리하다. 변압기나 필터 부품의 크기가 작아지고 출력전압의 응답속도를 빠르게 할 수 있기 때문이다. 스위칭 주파수를 높임으로 인해서 생기는 단점 중의 하나가 바로 스위칭 손실이다. 그래서, 스위칭 손실을 줄여 고주파 스위칭에서도 높은 효율을 유지하고자 하는 노력중의 하나가 바로 공진형 컨버터이다. 공진형 컨버터는 스위치를 켜거나 끌 때 스위치의 전류 또는 전압을 영으로 하여 스위칭 손실을 줄일 수 있는 회로방식이다. 이 공진형 컨버터에는 직렬 공진형 컨버터, 병렬 공진형 컨버터, 의사 공진형 컨버터, 부분 공진형 컨버터 등 여러 가지가 있다.In switching mode power supplies (SMPS), it is advantageous in many ways to make the switching frequency as high as possible. This is because the size of transformer or filter parts is reduced and the response speed of output voltage can be increased. One of the disadvantages of increasing the switching frequency is switching loss. Therefore, one of efforts to maintain high efficiency even in high frequency switching by reducing switching loss is a resonant converter. The resonant converter is a circuit method that can reduce the switching loss by zeroing the current or voltage of the switch when the switch is turned on or off. This resonant converter includes a series resonant converter, a parallel resonant converter, a pseudo resonant converter, and a partial resonant converter.
부스트 컨버터를 연속전류와 불연속 전류의 경계에서 동작시키면 즉 부스트 인덕터의 전류가 영이 되면 스위치를 다시 턴온시키는 방식으로 동작시키면 스위칭 주파수가 부하에 따라 변하기는 하지만 스위칭 손실을 크게 줄일 수 있는 방법이 있다. 흔히 의사 공진형 컨버터라고 하는 것 중의 한가지로 볼 수 있는데 턴온 스위칭시의 소자 전압을 일반적인 펄스폭 변조 방법에 비해 크게 줄일 수 있는 방법이다.If the boost converter operates at the boundary between continuous current and discontinuous current, that is, the switch is turned on again when the current of the boost inductor becomes zero, there is a way to greatly reduce the switching loss although the switching frequency changes depending on the load. It is commonly referred to as a pseudo-resonant converter, which can greatly reduce the device voltage during turn-on switching compared to the general pulse width modulation method.
도 1 은 종래의 부스트 컨버터의 회로도로서, 직렬 연결된 인덕터(Lbst)와 입력전압원(Vi), 직렬 연결된 인덕터(Lbst)와 입력 전압원(Vi)에 병렬 연결된 모스 트랜지스터(M1), 캐패시터(Csn), 다이오우드와 캐패시터(Co), 및 캐패시터(Co)에 병렬 연결된 저항(Ro)로 구성되어 있다. 1 is a circuit diagram of a conventional boost converter, in which a MOS transistor (M1), a capacitor (Csn) connected in series with an inductor (Lbst) and an input voltage source (Vi) connected in series, and an inductor (Lbst) and an input voltage source (Vi) connected in series, It is composed of a diode, a capacitor (Co), and a resistor (Ro) connected in parallel to the capacitor (Co).
도 2 는 도 1 에 나타낸 회로의 전압(Vds), 전류(Ilbst), 및 전류(Id)의 파형을 나타내는 것으로, 스위칭 트랜지스터인 모스 트랜지스터(M1)의 드레인 전극과 소오스 전극간의 전압이 영이되지 못하므로 턴온할 때 스위칭 손실이 발생하게 된다. 주파수(fsw)로 스위칭할 때 이 손실(Ploss)은 대략 0.5 Csn (2Vi -Vo)2fsw로 나타낼 수 있다. 식으로 부터 알 수 있듯이, 입력전압(Vi)과 캐패시터(Co)에 걸리는 출력전압(Vo)의 차이가 작으면 손실이 훨씬 더 커지게 된다. 그리고 턴온할 때 캐패시터(Csn)가 급격히 방전하며 전자기 간섭(EMI)문제를 일으킬 가능성도 있게 된다.FIG. 2 illustrates waveforms of the voltage Vds, the current Ilbst, and the current Id of the circuit shown in FIG. As a result, switching losses occur at turn-on. When switching to frequency fsw, this loss can be expressed as approximately 0.5 Csn (2Vi-Vo) 2 fsw. As can be seen from the equation, if the difference between the input voltage Vi and the output voltage Vo applied to the capacitor Co is small, the loss is much larger. When turned on, the capacitor Csn discharges rapidly and may cause an electromagnetic interference (EMI) problem.
그러므로, 이상적인 전력 변환시스템은 광범위한 입력과 출력에서 제어가 용 이하고 손실이 없어야 한다. DC-DC 변환기에서, 이상적인 전력 변환시스템에 가장 가깝게 만들어 주는 전류 기술은 영전압 턴온(ZVT) 혹은 영전류 턴오프(ZCT) 방식이다. 가장 이상적인 소프트-스위칭 기술은 ZVT와 ZCT 가 모두 달성되는 것이지만, 수많은 부품소자들을 추가해야 하는 단점이 있다.Therefore, an ideal power conversion system should be easy to control and lossless across a wide range of inputs and outputs. In DC-DC converters, the current technology that makes it the closest to an ideal power conversion system is zero voltage turn on (ZVT) or zero current turn off (ZCT). The ideal soft-switching technique is that both ZVT and ZCT are achieved, but has the disadvantage of adding numerous component elements.
본 발명은, 기존의 부스트 컨버터 기본 회로에 스위치와 다이오드 두 개의 추가적인 소자의 사용으로 영전압 턴온(ZVT)과 영전류 턴오프(ZCT)가 동시에 동작하도록 하여 이상적인 소프트-스위칭 기술에 근접하도록 한 새로운 방식의 소프트-스위칭 PWM-컨버터(converter)를 제공하기 위한 것이다.The present invention allows the zero voltage turn-on (ZVT) and zero-current turn-off (ZCT) to operate simultaneously with the use of two additional elements of the switch and diode in the existing boost converter basic circuit, bringing it closer to the ideal soft-switching technique. It is to provide a soft-switching PWM converter of the type.
본 발명에 의한 소프트 스위칭 기법을 이용한 부스트 컨버터에 있어서,In the boost converter using the soft switching method according to the present invention,
입력전원에 직렬 연결된 주인덕터와; 그 주인덕터에 탭으로 연결된 부인덕터와; 상기 부인덕터의 2차측단부에 직렬연결되어 출력단(Vo)에 연결되는 주 다이오드(D)와; 상기 부인덕터의 2차측 단부와 상기 입력전원 및 출력단의 공통 단자에 연결되는 주 스위치와; 상기 주인덕터와 부인덕터를 연결하는 탭에서 상기 출력단(Vo)으로 연결되는 보조 다이오드(Dx)와; 상기 주인덕터와 부인덕터를 연결하는 탭과 상기 공통단자에 연결되는 보조스위치(Sx)와; 상기 주 스위치와 상기 보조 스위치에 각각 역방향으로 병렬 연결되는 스위치 보호용 다이오드로 구성됨을 특징으로 한다.A master duct connected in series with the input power; A female duct connected to the host duct with a tab; A main diode (D) connected in series with a secondary side end of the negative duct and connected to an output terminal Vo; A main switch connected to the secondary end of the negative duct and the common terminal of the input power and output terminals; An auxiliary diode Dx connected to the output terminal Vo at a tap connecting the main duct and the non-duct duct; An auxiliary switch (Sx) connected to the tab connecting the main duct and the non-duct duct and the common terminal; And a switch protection diode connected in parallel to the main switch and the auxiliary switch in reverse directions, respectively.
본 발명에 의한 부스트 컨버터는, 새로운 방식의 소프트-스위칭 PWM 부스트 컨버터로서, 영전압 턴온(ZVT)과 영전류 턴오프(ZCT)가 동시에 동작하는 효과가 있다. 또한 본 발명은, 소프트-스위칭을 위한 보조 인덕터는 주 인덕터 안쪽에 탭을 가지고 제공되고, 이 방식(concept)은 절연컨버터와 인덕터성의 부하, 그리고 3상 컨버터/정류기에 적용될 수 있는 효과가 있으며, 이는 주 다이오드의 연결을 교체함으로 인해 간단해 질 수 있으며, 다이오드가 주 인덕터의 탭에 접속될 때, 주 스위치는 주 다이오드의 역 회복 없이 턴 온 될 수 있는데, 이것은 턴 온 손실을 눈에 띄게 줄일 수 있는 효과가 있다. The boost converter according to the present invention is a novel soft-switching PWM boost converter, which has the effect that zero voltage turn-on (ZVT) and zero current turn-off (ZCT) operate simultaneously. In addition, the present invention, the auxiliary inductor for soft-switching is provided with a tap inside the main inductor, this concept has the effect that can be applied to the isolation converter, inductor load, and three-phase converter / rectifier, This can be simplified by replacing the connection of the main diode, and when the diode is connected to the tap of the main inductor, the main switch can be turned on without the reverse recovery of the main diode, which significantly reduces the turn on losses. It can be effective.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 의한 스프트 스위칭 기법을 이용한 부스트 컨버터의 회로도이다. 이에 도시된 바와 같이,3 is a circuit diagram of a boost converter using a shift switching scheme according to the present invention. As shown therein,
입력전원(Vin)에 직렬 연결된 주인덕터(Lp)와; 그 주인덕터(Lp)에 탭(T)으로 연결된 부인덕터(Ls)와; 상기 부인덕터(Ls)의 2차측단부에 직렬연결되어 출력단(Vo)에 연결되는 주 다이오드(D)와; 상기 부인덕터(Ls)의 2차측 단부와 상기 입력전원(Vin) 및 출력단(Vo)의 공통 단자(GND)에 연결되는 주 스위치(S)와; 상기 주인덕터(Lp)와 부인덕터(Ls)를 연결하는 탭(T)에서 상기 출력단(Vo)으로 연결되는 보조 다이오드(Dx)와; 상기 주인덕터(Lp)와 부인덕터(Ls)를 연결하는 탭(T)과 상기 공통단자(GND)에 연결되는 보조스위치(Sx)와; 상기 주 스위치(S)와 상기 보조 스위 치(Sx)에 각각 역방향으로 병렬 연결되는 스위치 보호용 다이오드(D1)(D2)와; 상기 주 스위치(S)에 병렬연결되는 콘덴서(Cs)로 구성된다.A main duct Lp connected in series with the input power Vin; A female duct Ls connected to the main duct Lp by a tab T; A main diode (D) connected in series with a secondary side end of the negative duct (Ls) and connected to an output terminal (Vo); A main switch S connected to a secondary end of the non-deductor Ls and a common terminal GND of the input power Vin and the output terminal Vo; An auxiliary diode (Dx) connected to the output terminal (Vo) at the tap (T) connecting the main duct (Lp) and the negative duct (Ls); A tap (T) connecting the main duct (Lp) and the non- duct duct (Ls) and an auxiliary switch (Sx) connected to the common terminal (GND); A switch protection diode (D 1 ) (D 2 ) connected in parallel to the main switch (S) and the auxiliary switch (Sx) in reverse directions, respectively; It is composed of a capacitor (Cs) connected in parallel to the main switch (S).
이와 같이 본 발명은 입력전원(Vin)에 연결된 인덕터(Lp+Ls = L)와, 주 다이오드 (D) 및 주 스위치(S)가 부스트 컨버터를 구성하고, 보조 스위치(Sx)와 보조 다이오드(Dx)가 인덕터(L)의 탭(T)에 접속되며, 인덕터(L)은 주 인덕터(Lp)와 부 인덕터(Ls)가 결함 상수(K)를 가지고 나뉘어 탭(T)으로 연결되고, 상기 부인덕터는 누설 인덕턴스 Ls 이고, 이것은 영전압 턴온(ZVT)컨버터의 보조 인덕터 역할을 한다. As described above, in the present invention, the inductor Lp + Ls = L connected to the input power source Vin, the main diode D and the main switch S constitute a boost converter, and the auxiliary switch Sx and the auxiliary diode Dx. ) Is connected to the tap T of the inductor L, and the inductor L is connected to the tap T by dividing the main inductor Lp and the negative inductor Ls with a defect constant K. The inductor is a leakage inductance Ls, which serves as an auxiliary inductor for zero voltage turn-on (ZVT) converters.
먼저, 영전압 턴온(ZVT) 동작은, 보조 스위치(Sx)가 턴 온 되고, 그것의 전류 ISx가 주 다이오드(D)의 전류 ID를 줄이면서 멈추게 된다.First, the zero voltage turn-on ZVT operation is stopped when the auxiliary switch Sx is turned on and its current ISx reduces the current ID of the main diode D.
상기 부인덕터(Ls)에 흐르는 전류 ILs는, 부인덕터(Ls) 리크와 주 스위치(S) 및 콘덴서(Cs)와 주 다이오드(D)의 기생 커패시터(Cd)와 공진 하기 시작한다. 이 단계는 주 스위치(S)의 병렬 다이오드(D1)가 도통 될 때 종료하게 된다. 이 시간간격은 기생 커패시터(Cd)와 부인덕터 리크(LSleak)의 공진 시간의 대략 1/4이 된다.The current ILs flowing through the non-deductor Ls start to resonate with the parasitic capacitor Cd of the non-deductor Ls, the main switch S, the capacitor Cs, and the main diode D. This step ends when the parallel diode D 1 of the main switch S becomes conductive. This time interval is approximately one quarter of the resonance time between the parasitic capacitor Cd and the non-duct duct leak LSleak.
주 스위치(S)의 병렬 다이오드(D1)의 턴-온 이후, 전류는 여전히 올라가지만, 기울기는 부인덕터(Ls)의 2차측 전압에 의해 결정된다. 이 기간동안, 주 스위치(S)는 영전압으로 켜진다. 이때 보조 스위치(Sx)는 턴 오프 된다. 이 시간간격은 주 스위치(S)가 턴 온 되는 만큼 최소화될 수 있다.After the turn-on of the parallel diode D 1 of the main switch S, the current still rises, but the slope is determined by the secondary side voltage of the negative duct Ls. During this period, the main switch S is turned on at zero voltage. At this time, the auxiliary switch (Sx) is turned off. This time interval can be minimized as long as the main switch S is turned on.
보조 스위치(Sx)의 턴-오프 후, 전류 주 인덕터(Lp)의 전류 ILp와 부 인덕 터(Ls)의 전류 ILs는 보조 다이오드(Dx)를 통하여 전류가 다시 흐르고 출력 전압(Vo)과 부인덕터(Ls)의 2차측 전압에 의해 리셋 되기 시작한다.After the turn-off of the auxiliary switch Sx, the current ILp of the current main inductor Lp and the current ILs of the negative inductor Ls flow again through the auxiliary diode Dx and the output voltage Vo and the non-ductor It starts to be reset by the secondary voltage of (Ls).
부 인덕터(Ls)의 2차측 전류 ILs는 보조 다이오드(Dx)의 역 회복으로 인해 주 인덕터(Lp)의 전류 ILp보다 크게 된다. 이 전류는 부인덕터(Ls)의 2차측 전압에 의해 리셋되기 시작한다. The secondary current ILs of the negative inductor Ls is larger than the current ILp of the main inductor Lp due to the reverse recovery of the auxiliary diode Dx. This current starts to be reset by the secondary side voltage of the non- duct duct Ls.
따라서, 본 발명은, 주 스위치(S)는 영전압 턴온(ZVT) 동작이 이루어지는 것이다.Therefore, in the present invention, the main switch S is subjected to zero voltage turn-on (ZVT) operation.
한편, 영전류 턴 오프(ZCT) 동작은, 부인덕터(Ls)의 전류 ILs는 부인덕터(Ls)의 2차측 전압의 도움으로 감소하기 시작한다. 이 기간 동안에 전류 ILs는 방향을 바꾸게 되고, 주 스위치(S)의 병렬 다이오드(D1)을 통해 흐를 것이다. 주 스위치(S)는 영전류로 턴 오프 될 수 있을 것이다. 이때 보조 스위치(Sx)는 턴 오프된다.On the other hand, in the zero current turn off (ZCT) operation, the current ILs of the non- duct duct Ls starts to decrease with the aid of the secondary voltage of the non- duct duct Ls. During this period the current ILs will change direction and will flow through the parallel diode D 1 of the main switch S. The main switch S may be turned off with zero current. At this time, the auxiliary switch Sx is turned off.
상기 부인덕터(Ls)의 전류 ILs는 주 스위치(S)의 병렬 다이오드(D1)를 통해 흐를 것이고, 출력 전압(Vo)과 부인덕터(Ls)의 2차측 전압 때문에 빠르게 감소한다. 상기 부인덕터(Ls)의 전류 ILs는 부인덕터(Ls)의 2차측전압의 도움으로 부인덕터(Ls)의 전류 ILs와 주 인덕터(Lp)의 전류 ILp가 같아질 때(ILs = ILp)까지 흐르기 시작한다.The current ILs of the non- duct duct Ls will flow through the parallel diode D 1 of the main switch S and decrease rapidly due to the secondary voltage of the output voltage Vo and the non- duct duct Ls. The current ILs of the gyrus duct Ls flows until the current ILp of the gyrus duct Ls is equal to the current ILp of the main inductor Lp with the aid of the secondary side voltage of the gyrus duct Ls (ILs = ILp). To start.
따라서, 본 발명은 영전류 턴오프(ZCT) 동작이 이루어진다.Thus, the present invention achieves a zero current turn off (ZCT) operation.
이와 같이 본 발명은, 새로운 방식의 소프트-스위칭 PWM 부스트 컨버터로서, 이 방식은 보조스위치와 보조다이오드를 추가 연결함으로써 영전압 턴온(ZVT)과 영전류 턴오프(ZCT)가 동시에 동작한다. 소프트-스위칭을 위한 보조 인덕터는 주 인덕터 안쪽에 탭을 가지고 제공되었다. 이 방식(concept)은 절연컨버터와 인덕터성의 부하, 그리고 3상 컨버터/정류기에 적용될 수 있다. 이 방식은 주 다이오드의 연결을 교체함으로 인해 간단해 질 수 있다. 다이오드가 주 인덕터의 탭에 접속될 때, 주 스위치는 주 다이오드의 역 회복 없이 턴 온 될 수 있는데, 이것은 턴 온 손실을 눈에 띄게 줄인다. As described above, the present invention is a novel soft-switching PWM boost converter in which zero voltage turn-on (ZVT) and zero current turn-off (ZCT) operate simultaneously by additionally connecting an auxiliary switch and an auxiliary diode. An auxiliary inductor for soft-switching was provided with a tap inside the main inductor. This concept can be applied to isolated converters, inductive loads, and three-phase converters / rectifiers. This approach can be simplified by replacing the connection of the main diode. When the diode is connected to the tap of the main inductor, the main switch can be turned on without reverse recovery of the main diode, which significantly reduces the turn on losses.
도 1 은 종래의 부스트 컨버터의 회로도1 is a circuit diagram of a conventional boost converter
도 2 는 도 1 에 나타낸 회로의 전압(Vds), 전류(Ilbst), 및 전류(Id)의 파형을 나타내는 특성도.FIG. 2 is a characteristic diagram showing waveforms of voltage Vds, current Ilbst, and current Id of the circuit shown in FIG.
도 3은 본 발명에 의한 소프트 스위칭 기법을 이용한 부스트 컨버터 회로도.Figure 3 is a boost converter circuit diagram using a soft switching technique according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
Vin : 입력전원 Vo : 출력전압(출력단)Vin: Input Power Vo: Output Voltage (Output Terminal)
Lp : 주인덕터 Ls : 부인덕터Lp: Owner duct Ls: Wife duct
D : 주 다이오드 Dx : 보조다이오드D: Main Diode Dx: Auxiliary Diode
S : 주 스위치 Sx : 보조 스위치S: main switch Sx: auxiliary switch
D1, D2 : ,스위치보호용다이오드 Cs :콘덴서D 1 , D 2 : Switch protection diode Cs: Capacitor
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8912768B1 (en) | 2013-06-27 | 2014-12-16 | Inter. M Corporation | Soft-switched voltage clamp tapped-inductor step-up boost converter |
| US9042123B2 (en) | 2013-05-31 | 2015-05-26 | Hyundai Motor Company | Full bridge DC-DC converter that applies current doubler |
| KR102045156B1 (en) | 2018-11-12 | 2019-11-14 | 서울과학기술대학교 산학협력단 | Active snubber cell for soft-switched and boost converter including the same |
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2009
- 2009-01-08 KR KR1020090001397A patent/KR20100082084A/en not_active Application Discontinuation
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
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