KR20110110702A - Ｄｃ－ｄｃ 컨버터 회로 - Google Patents

Ｄｃ－ｄｃ 컨버터 회로 Download PDF

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KR20110110702A
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Abstract

인버터 회로는, 교호로 온 오프되는 2개의 스위치 소자와, 이들 스위치 소자 사이에 직렬적으로 접속되는 제1일차권선을 구비하고, 또한 출력 전압을 얻기 위한 이차권선을 구비하는 출력 트랜스를 구비한다. 인버터 회로는, 또한, 제1전압원과 제2전압원을 구비한다. 제1전압원은, 제1일차권선이 상기 제2스위치 소자에 접속되는 제1접속점과 제1스위치 소자 사이에 접속되고, 제1일차권선을 통하여 상기 제1스위치 소자에 전압을 인가한다. 제2전압원은, 제1일차권선이 제1스위치 소자에 접속되는 제2접속점과 제2스위치 소자 사이에 접속되어, 제1일차권선을 통하여 제2스위치 소자에 전압을 인가한다. 인버터 회로는, 또한, 스너버 콘덴서의 충전 전하를 회생하기 위한 회생 스너버 회로를 구비한다. 회생 스너버 회로는, 출력 트랜스의 일차측 전압을 소정 전압으로 변압하여 출력하는 전압인상부를 포함하는 회생 회로를 구비하고 있다.

Description

ＤＣ－ＤＣ 컨버터 회로{DC-DC CONVERTER CIRCUIT}
본 발명은, 풀 브리지형이나 하프 브리지형 등의 인버터 회로와 다른 신규한 구성의 인버터 회로를 트랜스의 1차측에 설치한, DC-DC 컨버터 회로에 관한 것이다.
종래로부터 잘 알려져 있는 인버터 회로는, 풀 브리지형 인버터 회로, 하프 브리지형 인버터 회로, 센터 탭 푸시 풀형 인버터 회로이다. 이들 인버터 회로의 개념도는 도 5에 나타내고 있다.
풀 브리지형은, 스위치 소자(S1~S4)를 브리지 접속하여 구성하고, 전원(V)을 브리지 사이에 접속한다. 스위치 소자(S1,S4)와 스위치 소자(S2,S3)를 교호로 온 오프하여, 출력 트랜스의 1차 권선(P)에 교번 전류를 흘린다(특허문헌 1 참조).
하프 브리지형은, 스위치 소자(S1,S2)에 각각 전압원(C1,C2)을 병렬 접속하고, 전압원(C1,C2) 사이에 전원(V)을 접속한다. 스위치 소자(S1,S2)를 교호로 온 오프하여, 1차 권선(P)에 교번 전류를 흘린다(특허문헌 2 참조).
센터 탭 푸시 풀형은, 스위치 소자(S1,S2) 사이에 접속한 1차 권선(P)의 센터 탭에 전원(V)을 접속한다. 스위치 소자(S1,S2)를 교호로 온 오프하여, 1차 권선(P)에 교번 전류를 흘린다(특허문헌 3 참조).
또한, 이들의 인버터 회로에는, 스위치 소자에 대하여 서지 전압이 인가되지 않도록, 통상, 스너버 콘덴서와 스너버 저항을 포함하는 스너버 회로가 마련되어 있다.
특허공개 2007-151225호 특허공개 2005-279774호 특허공개 2001-112253호
그러나, 상기의 각종 인버터 회로는, 이하의 점에서 문제가 있다.
(1) 풀 브리지형
스위치 소자를 4개 사용하기 때문에, 코스트가 높게 된다.
(2) 하프 브리지형
스위치 소자는 2개로 좋지만, 각 스위치 소자(S1,S2) 및 1차 권선(P)에 흐르는 전류는 풀 브리지형이나 센터 탭 푸시 풀형에 비교하여 2배가 된다. 이 때문에, 스위치 소자나 트랜스의 대형화와 고가격을 피할 수 없다.
(3) 센터 탭 푸시 풀형
스위치 소자는 2개로 좋고, 각 스위치 소자(S1,S2) 및 1차 권선(P)에 흐르는 전류는 풀 브리지형과 동일하게 크게 되지 않는다. 그러나, 전원(V)을 1차 권선(P)의 센터 탭에 접속하기 때문에, 권선(P)의 좌우 결합에 리키지 인덕턴스가 개재한다. 이 때문에, 제1스위치 소자를 턴 오프할 때에 발생하는 서지 전압은, 상기 리키지 인덕턴스를 통하여, 제2스위치 소자에 접속되는 프리휠 다이오드에서 클램프된다. 상기 리키지 인덕턴스의 존재 때문에, 완전한 클램프가 되지 못하고, 제1스위치 소자에 과대한 서지 전압이 인가되는 문제가 있다.
또한, CR 스너버 회로에서는, 스너버 콘덴서의 충전 전하가 스너버 저항에서 열소비되기 때문에, 회로의 효율이 나쁘다고 하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 스위치 소자가 2개로 좋고, 스위치 소자에 흐르는 전류값도 작아, 스위치 소자에 과대한 서지 전압이 인가되지 않고, 또 고효율인 인버터 회로를, 트랜스의 1차측에 설치한 DC-DC 컨버터 회로를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 DC-DC 컨버터 회로에 이용되는 인버터 회로는 도 1에 나타낸 바와 같은 기본 구성을 구비한다. 인버터 회로는, 스위치 소자로서, 제1스위치 소자(S1)와, 제2스위치 소자(S2)를 구비한다. 이들 스위치 소자(S1,S2)는, 반도체 스위치 소자로 구성되며, 예를 들어, IGBT(절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터)나 MOS-FET로 구성된다. 또한, 이 인버터 회로는, 상기 제1스위치 소자(S1)와 상기 제2스위치 소자(S2) 사이에 직렬적으로 접속되는 제1일차권선(P1)을 구비하고, 또한 출력 전압을 얻기 위한 이차권선을 구비하는 출력 트랜스를 구비한다.
접속예로서, 제1일차권선(P1)은, 제1스위치 소자(S1)와, 제2스위치 소자(S2) 각각의 정극측에 접속된다. 또한, 이 인버터 회로는, 전압원을 2개 구비하고 있다(도 1에서는 전압원을 전원으로서 나타내고 있다). 제1전압원인 제1전원(V1)은, 상기 제1일차권선(P1)이 상기 제2스위치 소자(S2)에 접속되는 제1접속점(A1)과 상기 제1스위치 소자(S1) 사이에 접속된다. 이에 의해, 제1전원(V1)은, 상기 제1일차권선(P1)을 통하여 상기 제1스위치 소자(S1)에 전압을 인가한다. 제1전원(V2)은, 상기 제1일차권선(P1)이 상기 제1스위치 소자(S1)에 접속되는 제2접속점(A2)과 상기 제2스위치 소자(S2) 사이에 접속된다. 이에 의해, 제2전원(V2)은, 상기 제1일차권선(P1)을 통하여 상기 제2스위치 소자(S2)에 전압을 인가한다.
또한, 제1일차권선(P1)을, 제1스위치 소자(S1)와 제2스위치 소자(S2) 각각의 부극측에 접속하는 것도 가능하다.
제어부는, 상기 제1스위치 소자(S1)와 상기 제2스위치 소자(S2)를 교호로 온 오프하는 제어를 수행한다.
이상의 구성으로된 인버터 회로를, 본 명세서에서는, 커런트 밸런스트 푸시 풀형(Current Balanced P.P) 인버터 회로라 칭한다.
상기 인버터 회로의 변형예는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 다음과 같이 구성될 수 있다.
즉, 제1전압원(도 2에서는 콘덴서(C1))은, 그 정극측이 상기 제1접속점(A1)에 접속되고, 상기 제2전압원(도 2에서는 콘덴서(C2))는, 그 정극측이 상기 제2접속점(A2)에 접속되며, 더욱이, 상기 제1전압원의 부극측과 상기 제2전압원의 부극측 사이에 접속되는 제2일차권선(P2)을 구비한다. 또한, 상기 제1일차권선(P1)의 센터 탭과, 상기 제2일차권선(P2)의 센터 탭 사이에 접속되어, 상기 제1, 제2전압원에 대하여 상기 제1일차권선(P1) 및 상기 제2일차권선(P2)을 통하여 에너지 공급하는 전원(V)을 구비한다.
상기 구성에서는, 전원(V)으로부터 제1전압원과 제2전압원에 대하여 항시 충전 전류가 흐른다(에너지가 공급된다). 제1스위치 소자(S1)가 온 하면, 제1전압원으로부터 제1일차권선(P1)을 통하여 제1스위치 소자(S1)에 흐르는 전류 성분과, 제2전압원으로부터 제2일차권선(P2)을 통하여 제1스위치 소자(S1)에 흐르는 전류 성분이 합성되고, 이 합성된 전류가 제1스위치 소자(S1)에 흐른다. 바꾸어 말하면, 제1스위치 소자(S1)에 흐르는 전류는, 제1일차권선(P1)과 제2일차권선(P2)으로 분류(shunt)한다.
본 발명의 DC-DC 컨버터 회로는, 스너버 회로를 구비하는 것으로, ZVS(Zero Voltage Switching) 동작을 가능하게 하고, 또한, 회생회로를 구비하는 것으로 손실을 저감할 수 있다.
상기 회생회로는, 회생시에 스너버 콘덴서과 공진하는 공진부와, 전압인상부를 구비하고 있다. 공진부는 공진 리액터로 구성된다. 전압인상부는, 출력 트랜스의 입력 전압(일시측 전압)을 소정 전압으로 변환하여 출력하는 2차권선(전압인상권선)으로 구성된다. 소정 전압을 (1/2) E(단, 전압원의 전압을 E라 한다) 이상으로 하는 것으로, 스너버 콘덴서의 충전 전하를 모두 회생시키는 것이 가능하다.
본 발명에 의하면, 스위치 소자가 2개로 좋고, 스위치 소자에 흐르는 전류값도 작으며, 또한, 스위치 소자에 과대한 서지 전압이 인가되지 않는다. 또한, 스너버 회로와 회생회로를 접속함으로써, 스위치 소자의 ZVS 동작을 가능하게 하고, 또한, 손실을 감소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 DC-DC 컨버터회로에 사용되는 커런트 밸런스트 푸시 풀형(Current Balanced P.P형) 인버터 회로의 기본 개념도이다.
도 2는 커런트 밸런스트 푸시 풀형 인버터 회로의 다른 예를 나타낸다.
도 3은 인버터 회로의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 인버터 회로의 타이밍 챠트이다.
도 5는 풀 브리지형, 하프 브리지형, 센터 탭 푸시 풀형, 커런트 밸런스트 푸시 풀형의 각 인버터 회로의 개념도를 나타내고 있다.
도 6은 본 발명의 제1실시형태인 DC-DC 컨버터 회로의 회로도이다.
도 7은 DC-DC 컨터버 회로의 타이밍 챠트이다.
도 8은 회생시에 있어서의 제1회생부의 등가회로이다.
도 9는 회생시의 타이밍 챠트이다.
도 10은 본 발명의 제2실시형태인 DC-DC 컨버터 회로의 회로도이다.
도 11은 본 발명의 제3실시형태인 DC-DC 컨버터 회로의 회로도이다.
도 12는 트랜스의 구조도이다.
도 1은, 본 발명의 DC-DC 컨버터 회로에 사용되는 커런트 밸런스트 푸시 풀형(Current Balanced P.P형) 인버터 회로의 개념도이다.
이 인버터 회로는, 제1스위치 소자(S1)와, 제2스위치 소자(S2)와, 제1스위치 소자(S1)와 제2스위치 소자(S2) 사이에 직렬적으로 접속되는 제1일차권선(P1)을 구비하고 또한 출력 전압을 얻기 위한 2차권선을 구비한 출력 트랜스(도시안됨)를 구비하고 있다.
또한, 이 인버터 회로는, 제1일차권선(P1)이 제2스위치 소자(S2)에 접속되는 제1접속점(A1)과 제1스위치 소자(S1) 사이에 접속되어, 제1일차권선(P1)을 통하여 제1스위치 소자(S1)에 전압을 인가하는 제1전압(V1)과,
제1일차권선(P1)이 제1스위치 소자(S1)에 접속되는 제1접속점(A2)과 제2스위치 소자(S2) 사이에 접속되어, 제1일차권선(P1)을 통하여 제2스위치 소자(S2)에 전압을 인가하는 제1전원(V2)을 구비하고 있다.
제1스위치 소자(S1)와 제2스위치 소자(S2)는, 제어부(도시하지 않음)에 의해 교호로 온 오프된다.
상기 인버터 회로에서, 제1스위치 소자(S1)가 온 하면, 제1일차권선(P1)에 제1전원(V1)으로부터 좌방향으로 전류(ID1)가 흐르고, 제2스위치 소자(S2)가 온 하면, 제1일차권선(P1)에 제2전원(V2)으로부터 우방향으로 전류(ID2)가 흐른다. 제1스위치 소자(S1)와 제2스위치 소자(S2)를 교호로 온 오프 하는 것으로, 제1일차권선(P1)에 전류(ID1)와 전류(ID2)가 교호로 흐르므로, 트랜스의 이차권선에 교류 출력 전압이 발생한다.
도 2는, 인버터 회로의 다른 예를 나타낸다. 이 인버터 회로는, 2개의 일차권선을 이용하고 있다.
이 인버터 회로는, 도 1의 제1전원(V1)이 제1전압원인 콘덴서(C1)로 치환되고, 도 1의 제2전원(V2)이 제2전압원인 콘덴서(C2)로 치환되어 있다.
또한, 제1전압원(C1)의 부극측과 제2전압원(C2)의 부극측 사이에 제2일차권선(P2)이 접속되어 있다.
또한, 제1일차권선(P1)의 센터 탭과 제2일차권선(P2)의 센터 탭 사이에, 제1전압원(C1)과 제2전압원(C2)에 대하여 제1일차권선(P1) 및 제2일차권선(P2)을 통하여 에너지 공급하는 전원(V)을 구비하고 있다.
도 3은, 상기 인버터 회로의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 타이밍 챠트이다. 도 4에서, 기간(D)은 제1스위치 소자(S1) 또는 제2스위치 소자(S2)가 온 하는 기간이다. 이 기간(D)의 최대 값은 여기서는 0.5이다. 기간(0.5-D)은, 스위치 소자(S1,S2)가 함께 오프하고 있는 휴지기간이다.
도 3에서, 제1일차권선(P1)은, 센터 탭을 중심으로 권선 P1a와 P1b로 구성되고, 제2일차권선(P2)은, 센터 탭을 중심으로 권선 P2a와 P2b로 구성된다. 또한, 트랜스(T)의 이차권선(S)에는, 다이오드 브리지 정류회로가 접속되어 전체로서 DC-DC 컨버터 회로가 구성되며, 더욱이, 정류 출력을 평활하는 리액터(L0)와 부하(R0)가 접속되어 있다. 그 외 구성은 도 2와 동일하다.
제1스위치 소자(S1)가 온 하여, 제1전압원인 콘덴서(C1)와 제2전압원인 콘덴서(C2)에 의해, 제1일차권선(P1), 제2일차권선(P2)에 각각 전압(V)이 인가되고, 이차권선(S)에 출력 전압(Vs)이 발생하면, 부하(R0)에 출력 전류(I0)가 흐른다. 이에 의해, 일차권선(P1,P2)에는 각각 0.5I0·a가 흐른다(트랜스의 권선비 = 1:a). 이 때, 콘덴서(C1)로부터 스위치 소자(S1)로 흐르는 전류와, 콘덴서(C2)로부터 스위치 소자(S1)에 흐르는 전류를 합성한 소자 전류(ID1)는, ID1 = I0·a이다.
콘덴서(C1), 콘덴서(C2)의 충전 전류(직류) Ic1', Ic2'는, 각각 출력 전력을 전원 전압에서 제한 Ii의 반(0.5Ii)이다. 따라서, 콘덴서(C1), 콘덴서(C2)에 흐르는 합성 전류(Ic1, Ic2)는, 각각 방전 전류 - 충전 전류 = 0.5(ID1-Ii)가 된다.
한편, 일차권선(P1a, P2b)에 흐르는 전류는 충전 전류가 감산된 것으로 되고, 일차권선(P1b, P2a)에 흐르는 전류는 충전 전류가 가산된 것으로 된다. 즉,
IP1a, IP2b = 0.5(ID1-Ii)
IP1b, IP2a = 0.5(ID1+Ii)
이다. 이 전류 언밸런스는 문제 없다. 왜냐하면, 스위치 소자(S1,S2)가 교호로 온 오프하는 것으로(전류하는 것으로) 평균 권선 전류의 평활이 유지되기 때문이다. 따라서, 특히 트랜스의 코어가 편자한다고 하는 문제를 발생하는 것은 아니다.
또한, 전원(V)에서 보아, P1a, P1b, P2a, P2b의 각 권선의 극성은 각각 역극성이다. 이 때문에, 전원 전압으로 트랜스(T)를 직접, 여자하는 것은 아니다. 또한, 일차권선 P1과 P2에 각각 유입하는 충전 전류(Ic1', Ic2')는 역방향이기 때문에, 코어가 직류 자화한다고 하는 문제도 없다.
상기 구성으로, 제1일차권선(P1)과 제2일차권선(P2)에 각각 인가되는 교번 전압은 전원 전압(V)이 되어, 풀 브리지형과 동일하게 된다. 또한, 제1일차권선(P1)과 제2일차권선(P2)에 마련된 센터 탭은 전원(V)으로부터의 에너지 공급용 이고, 출력 전력 공급에는, 도 3의 태선으로 나타낸 전류가 흐르는 것에 의해, 제1일차권선(P1)과 제2일차권선(P2)의 전권선이 이용된다. 이 때문에, 센터 탭 푸시 풀형과 같이, 반 사이클 마다 유휴 권선이 생기지 않는다. 즉, P1a와 P1b 사이의 리키지 인덕턴스, 및 P2a와 P2b 사이의 리키지 인덕턴스를 고려할 필요가 없고, 그 때문에 전류시에 서지 전압이 발생하지 않는다. 따라서, 서지 전압을 방지하는 것을 목적으로서, P1a와 P1b 사이, P2a와 P2b 사이, P1과 P2 사이를 밀결합시킬 필요가 없다. 또한, 전원(V)으로부터는, 콘덴서(C1,2)에 대하여, 항시, 충전 전류(0.5Ii)가 제1일차권선(P1)과 제2일차권선(P2)을 통하여 흐르고 있다. 이 충전시에 있어서는, 그들 권선(P1,P2) 사이의 누설 인덕턴스가 리플 성분을 제거하는 필터로서 기능하기 때문에, 전원(V)으로부터 공급되는 전류(Ii)는 연속한 직류가 된다. 그 때문에, 전원(V)으로서는, 리플 성분을 피한(리플에 의해 수명 특성을 나쁘게 한다) 전지, 예를 들면 연료 전지를 사용할 수 있다. 또한, 제1일차권선(P1)과 이차권선(S)의 결합, 및 제2일차권선(P2)과 이차권선(S)의 결합은, 분류를 평형시키는 것이 필요한 것으로부터 대칭으로 하지 않으면 안된다.
도 5는, 참고를 위해, 풀 브리지형, 하프 브리지형, 센터 탭 푸시 풀형, 커런트 밸런스트 푸시 풀형의 각 인버터 회로의 개념도를 나타낸 것이다.
상기 설명과 같이, 커런트 밸런스트 푸시 풀형 인버터 회로에서는, 스위치 소자가 2개로 좋고, 각 스위치 소자에 유입되는 전류가 하프 브리지형에 비교하여 2분의 1로 좋으며, 또한, 스위치 소자에 과대한 서지 전압이 인가되지 않는 이점이 있다. 더욱이, 전원(V)에는, 리플 성분을 피한(리플에 의해 수명 특성을 나쁘게 한다) 전류, 예를 들면 연료 전지를 사용할 수 있다.
다음, 본 발명의 제1실시형태의 DC-DC 컨버터 회로를 나타낸다.
도 6은, 동 DC-DC 컨버터 회로의 회로도이다. 도 7은 타이밍 챠트이다.
이 컨버터 회로는, 커런트 밸런스트 푸시 풀형 인버터 회로(INV)와, 그 인버터 회로(INV)의 교류 출력을 정류하여 부하로 출력하는 출력 회로(OUT)와, 제1회생 스너버 회로(SN1)와, 제2회생 스너버 회로(SN2)를 구비하고 있다.
인버터 회로(INV)는, 도 2 또는 도 3에 나타낸 회로와 동일하다(도 6과 도 3에서는, 콘덴서 C1과 C2의 표시 위치가 서로 반대이다). 인버터 회로(INV)의 제1스위치 소자(S1)에는, 제1회생 스너버 회로(SN1)가 접속되고, 제2스위치 소자(S2)에는, 제2회생 스너버 회로(SN2)가 접속되어 있다. 또한, 제1스위치 소자(S1), 제2스위치 소자(S2)에는, 반도체 스위치 소자, 예를 들면 IGBT나 MOS-FET 등이 사용된다.
출력 회로(OUT)는, 트랜스(T)의 이차권선(S)에 접속된 정류용 다이오드(D13~D16)와, 평활용의 리액터(L5) 및 콘덴서(C7)로 구성되고, 출력 회로(OUT)에 부하(R0)가 접속되어 있다.
제1회생 스너버 회로(SN1)은, 스위치 소자(S1)에 역병렬로 접속된 제1프리휠 다이오드(D1)와, 스위치 소자(S1)에 병렬로 접속된 제1스너버 회로를 구비한다. 제1스너버 회로는, 제1스너버 다이오드(D3)와 제1스너버 콘덴서(C3)와 제2스너버 콘덴서(C5)의 직렬 회로를 포함한다. 또한, 제1회생 스너버 회로(SN1)는, 상기 제1스너버 회로에 접속되고, 제1회생부와 제2회생부로 구성되는 제1회생 회로를 구비한다.
제1회생 회로에 포함되는 제1회생부는, 제1전압원인 콘덴서(C1)의 정극측과 스너버 콘덴서(C3) 사이에 접속된다. 즉, 제1회생부는, 충전 방지용의 회생 다이오드(D5)와, 공진 리액터(L1)와, 전압인상권선(S3)의 직렬 회로를 구비한다. 공진 리액터(L1)는, 회생시에 콘덴서(C3)와 공진하고, 전압인상권선(S3)은, 출력 트랜스(S)의 일차측 전압을 변압하여 소정 전압을 출력한다. 전압인상권선(S3)의 권선수는, 후술하는 바와 같이, 제1전압원인 콘덴서(C1)의 전위를 E로 한 때에 상기 소정 전압이 0.5E가 되도록 설정된다.
제2회생부는, 충전 방지용의 회생 다이오드(D7)와, 공진 리액터(L2)와, 전압인상권선(S4)의 직렬 회로를 구비한다. 공진 리액터(L2)는, 회생시에 콘덴서(C5)와 공진하고, 전압인상권선(S4)은, 출력 트랜스(T)의 일차측 전압을 변압하여 소정 전압을 출력한다.
제2회생 스너버 회로(SN2)는, 제1회생 스너버 회로(SN1)와 대칭의 회로 구성을 구비하고 있다.
즉, 제2회생 스너버 회로(SN2)는, 스위치 소자(S2)에 역병렬로 접속된 제2프리 휠 다이오드(D2)와, 스위치 소자(S2)에 병렬로 접속된 제2스너버 회로를 구비한다. 제2스너버 회로는, 제2스너버 다이오드(D4)와 제3스너버 콘덴서(C4)와 제4스너버 콘덴서(C6)의 직렬 회로를 포함한다. 또한, 제2회생 스너버 회로(SN2)에는, 상기 제2스너버 회로에 접속되고, 제3회생부와 제4회생부로 구성되는 제2회생 회로를 구비한다.
제2회생 회로에 포함되는 제3회생부는, 제2전압원인 콘덴서(C2)의 정극측과 스너버 콘덴서(C4) 사이에 접속된다. 즉, 제3회생부는, 충전 방지용의 회생 다이오드(D6)와, 공진 리액터(L3)와, 전압인상권선(S5)의 직렬 회로를 구비한다. 공진 리액터(L3)는, 회생시에 콘덴서(C4)와 공진하고, 전압인상권선(S5)는, 출력 트랜스(S)의 일차측 전압을 변압하여 소정 전압을 출력한다. 전압인상권선(S5)의 권선수는, 전압인상권선(S3,S4)과 동일하게, 상기 소정 전압이 0.5E가 되도록 설정된다.
제4회생부는, 충전 방지용의 회생 다이오드(D8)와, 공진 리액터(L4)와, 전압인상권선(S6)의 직렬 회로를 포함한다. 공진 리액터(L4)는, 회생시에 콘덴서(C6)와 공진하고, 전압인상권선(S6)은, 출력 트랜스(S)의 일차측 전압을 변압하여 소정 전압을 출력한다.
이상의 제1회생 스너버 회로(SN1)에 있어서, 공진 리액터(L1)와 공진 리액터(L2)는 본 발명의 제1공진부를 구성하고 있다. 또한, 전압인상권선(S3)과 전압인상권선(S4)으로 본 발명의 제1전압인상부를 구성하고 있다.
또한, 제2회생 스너버 회로(SN2)에 있어서, 공진 리액터(L3)와 공진 리액터(L4)는 본 발명의 제2공진부를 구성하고 있다. 또한, 전압인상권선(S5)와 전입인상권선(S6)으로 본 발명의 제2전압인상부를 구성하고 있다.
컨버터 회로는, 또한 제어부(CT)를 구비하며, 이 제어부(CT)는 스위치 소자(S1,S2)를 온 오프 제어하기 위한 게이트 신호(G1,G2)를 생성한다. 게이트 신호(G1,G2)는, 각각 스위치 소자(S1,S2)의 게이트 단자에 공급되고 있다.
다음, 도 7을 참조하여 동작을 설명한다.
제1회생 스너버 회로(SN1)에 포함되어 있는 제1스너버 회로와 제1회생부의 동작을 설명한다.
t0의 직전에서는 전류원인 리액터(L5)(트랜스(T)의 이차측에 접속되어 있는)의 작용에 의해 정류용 다이오드(D13~D16)가 프리 휠 상태에 있다. t0에서 제어신호(G1)가 온 하여 스위치 소자(S1)가 온 한 때, 일차권선 P1(P1a, P1b), P2(P2a,P2b)의 리키지 인덕턴스의 감류 작용에 의해, 스위치 소자(S1)에 흐르는 전류(ICE)는 일정의 경사로 직선적으로 증가한다. 이 때문에, 스위칭 동작은 ZCS(Zero Current Switching) 동작이 된다.
또한, 스위치 소자(S1)가 t3에서 오프 한 때, 상기 리키지 인덕턴스의 축적 에너지로 스너버 콘덴서(C3)가 서서히 충전되어 간다. 스너버 콘덴서(C3)의 충전 전위(VC3) 변위는, 충전 기간의 후반에서 상기 리키지 인덕턴스와 스너버 콘덴서(C3)의 공진계에 의한 것이 되고, 최종적으로 E(콘덴서(C1)의 전위를 E라한다)에 클램핑된다. 또한, 이 스너버 콘덴서(C3)와 제2회생부의 스너버 콘덴서(C5)의 직렬 회로에 2E가 인가되는 것으로, 결과적으로 콘덴서(C3)의 충전 전위가 E에 클램프된다. 이 때문에, 서지 전압이 스위치 소자(S1)에 인가되는 것이 방지되고, 스위치 소자(S1)의 양단 전압(VCE)는, 도 7(C)와 같이 t3로부터 서서히 상승한다. 따라서, 스위치 동작은 ZVS(Zero Voltage Switching) 동작이 된다.
스위치 소자(S1)가 오프 한 때에 스너버 콘덴서(C3)에 충전된 전하는, 종래의 회로와 같이 스너버 저항에서 소비되는 것이 아니고, 다음 스위치 소자(S1)가 온 한 때 t1-t2에서 제1전압원인 콘덴서(C1)로 회생된다. 즉, 스너버 콘덴서(C3)의 충전 전하는, 충전 방지용 회생 다이오드(D5)와, 공진 리액터(L1)와, 전압인상권선(S3)의 직렬 회로로 이루어진 제1회생부에 의해, 콘덴서(C1)에 회생된다.
상세하게는 다음과 같다.
스위치 소자(S1)가 온 하면, 스너버 콘덴서(C3)의 충전 전위(E)에 전압인상권선(S3)의 전위 0.5E가 인상된다. 이에 의해, E에 충전된 스너버 콘덴서(C3)의 충전 전하가 스너버 콘덴서(C3)와 공진 리액터부(L1)의 공진 회로에 의해 콘덴서(C1)에 회생된다.
도 8은, 스너버 콘덴서(C3)의 충전 전하가 제1회생부에 의해 회생된 때의 등가 회로이다.
상기 등가 회로의 전압 방정식은, 식 1과 같다.
L1(dif/dt)+(1/C3)∫if·dt = L1(d2q/dt2)+(1/C3)q = 0.5E…(식 1)
식(1)은 2단선형상미분방정식이며, 이 해는 이하와 같다.
if(t2-t1) = (0.5E/Zf)Sinωft…(식 2)
VC3(t2-t1) = 0.5E(1+Cosωft)…(식 3)
VL1(t2-t1) = 0.5E·Cosωft)… (식 4)
단,
Zf=√(L1/C3)(특성 임피던스)
ωf=1/√(L1/C3)(각주파수)
또한, 충전 방지용 회생 다이오드(D5)에 의해, t1-t2의 주기 만큼 회생 전류(if)가 흐른다. 식(2) ~ (4)를 도시하면 도 9와 같이 된다.
이와 같이, 전압인상권선(S3)에 의해, 스너버 콘덴서(C3)의 충전 전위(E)를 E+0.5E로 인상하는 것으로, t2에서 전위(VC3)가 제로가 되기 때문에, t1-t2에서, 스너버 콘덴서(C3)의 충전 전하를 전부 콘덴서(C1)에 회생할 수 있다.
제2회생부에 대해서도, 상기 제1회생부와 동일한 동작을 수행하여, 스너버 콘덴서(C5)의 충전 전하가 t2에서 전부 콘덴서(C2)에 회생된다.
또한, 제2회생 스너버 회로(SN2)에 있어서도, 상기 제1회생 스너버 회로(SN1)과 동일한 동작을 수행한다.
이와 같이, 스너버 콘덴서(C3,C5,C4,C6)의 충전 전하는, 종래의 스너버 회로와 같이 스너버 저항에서 소비되지 않고, 콘덴서(C1,C2)에 회생되기 때문에, 인버터 회로의 효율을 높일 수 있다. 한편, 공진 리액터(L1~L4)는, 일차 권선 P1(P1a,P1b), P2(P2a,P2b)와 전압인상권선(S3~S6) 사이의 리키지 인덕턴스로 대용하는 것이 가능하다.
다음, 본 발명의 제2실시형태를 나타낸다.
도 10은, 변형한 커런트 밸런스트 푸시 풀형 인버터 회로를 사용한 DC-DC 컨버터 회로의 회로도이다.
도 10의 회로가 도 6의 회로와 다른 점은 다음과 같다.
(A1) 도 1에 나타낸 구성의 커런트 밸런스트 푸시 풀형 인버터 회로를 이용했다. 즉, 전압원이 되는 콘덴서(C1,C2)에 대신하여 제1전원(V1)과 제2전원(V2)을 이용했다. 또한, 일차권선에는, 제1일차권선(P)만을 마련하고 있다. 또한, 이 예에서는, 도시하고 있는 일차권선(P)이 본 발명의 제1일차권선(P1)에 대응하고 있다(따라서, 일차권선(P)은 전압원(V1,V2)의 부하측에 접속하고 있다).
이 회로에서는, 일차권선에 센터 탭을 마련할 필요가 없고, 또한, 일차권선은 1개의 권선으로 좋다.
다음, 본 발명의 제3실시형태를 나타낸다.
도 11은, 변형한 커런트 밸런스트 푸시 풀형 인버터 회로를 사용한 DC-DC 컨버터 회로의 회로도이다.
도 11의 회로가 도 6의 회로와 상위한 점은 다음과 같다.
(B1) 전압원이 되는 콘덴서(C2)에 대신해 전원(V)을 이용했다.
(B2) 일차권선(P1,P2)의 센터 탭을 없앴다.
이 회로에서는, 일차권선에 센터 탭을 마련할 필요가 없고, 또한, 전원이 1개로 좋다.
상기 어느 실시형태에서도, 동작은 도 6에 나타낸 DC-DC 컨버터 회로와 동일하다.
다음, 이상의 실시형태에서 사용하는 트랜스(T)의 구조를 도 12를 참조하여 설명한다.
트랜스(T)는, 철심(1)을 중심으로 내측으로부터 일차권선 P(P1,P2)의 반, 이차권선(S)의 반, 전압인상권선(S3,S4), 전압인상권선(S5,S6), 이차권선(S)의 반, 일차권선 P(P1,P2)의 반, 순으로 동심상으로 배치하고 있다. 이 배치 구조에 의해, 전압인상권선(S3~S6)은, 일차권선 P(P1,P2)와 이차권선(S) 사이의 누설 자속의 영향을 받지 않는다.
즉, 스위치 소자(S1)가 오프하는 시각(t3)에 있어서는, 일차권선 P(P1,P2)에 그 일차권선과 이차권선 사이의 리키지 인덕턴스에 의한 공진 전압이 발생한다. 그러나, 정류용 다이오드(D13~D16)가 함께 도통하는 프리 휠 기간(도 7의 t3-t5, 또는 t4-t6)에 있어서는, 일차권선(S)은 단락하고 있기 때문에, 이 기간에 있어서는, 이차권선(S)에 밀결합한 전압인상권선(S3~S6)은 구속 자화되게 된다. 따라서, 상기 공진 전압은 전압인상권선(S3~S6)에 전달되지 않는다. 이 결과, 스너버 콘덴서(C3~C6)가 불필요하게 충방전되는 것이 없게 되어, 양호한 ZVS 동작이 수행된다.
C1-제1전압원인 콘덴서
C2-제2전압원인 콘덴서
V-전원
S1-제1스위치 소자
S2-제2스위치 소자
P1-제1일차권선
P2-제2일차권선
INV-인버터 회로
SN1-제1회생 스너버 회로
SN2-제2회생 스너버 회로
C3,C5,C4,C6-스너버 콘덴서
L1,L2,L3,L4-공진 리액터
S3,S4,S5,S6-전압인상권선
OUT-출력회로

Claims (5)

  1. 제1스위치 소자(S1)와,
    제2스위치 소자(S2)와,
    상기 제1스위치 소자(S1)와 상기 제2스위치 소자(S2) 사이에 직렬적으로 접속되는 제1일차권선(P1)을 구비하고, 또한, 출력 전압을 얻기 위한 이차권선을 구비하는 출력 트랜스(T)와,
    상기 출력 전압을 정류하여 평활하는 평활 회로와,
    상기 제1일차권선이 상기 제2스위치 소자(S2)에 접속되는 제1접속점과 상기 제1스위치 소자(S1) 사이에 접속되고, 상기 제1일차권선(P1)을 통하여 상기 제1스위치 소자(S1)에 전압을 인가하는 제1전압원과,
    상기 제1일차권선이 상기 제1스위치 소자(S1)에 접속되는 제2접속점과 상기 제2스위치 소자(S2) 사이에 접속되고, 상기 제1일차권선을 통하여 상기 제2스위치 소자(S2)에 전압을 인가하는 제2전압원과,
    상기 제1스위치 소자(S1)와 상기 제2스위치 소자(S2)를 교호로 온 오프하는 제어부와,
    상기 제1스위치 소자(S1)에 역병렬로 접속된 제1프리 휠 다이오드와,
    상기 제1스위치 소자(S1)에 병렬로 접속되고, 제1스너버 콘덴서와, 제1스너버 다이오드와, 제2스너버 콘덴서의 직렬 회로를 포함하는 제1스너버 회로와,
    상기 제2스위치 소자(S2)에 역병렬로 접속된 제2프리 휠 다이오드와,
    상기 제2스위치 소자(S2)에 병렬로 접속되고, 제3스너버 콘덴서와, 제2스너버 다이오드와, 제4스너버 콘덴서의 직렬 회로를 포함하는 제2스너버 회로와,
    상기 제1전압원 및 상기 제2전압원과, 상기 제1스너버 회로 사이에 접속되고, 회생시에, 상기 제1스너버 콘덴서 및 상기 제2스너버 콘덴서의 충전 전하를 상기 제1전압원 및 상기 제2전압원에 회생시키는 제1회생 회로와,
    상기 제1전압원 및 상기 제2전압원과, 상기 제2스너버 회로 사이에 접속되고, 회생시에, 상기 제3스너버 콘덴서 및 상기 제4스너버 콘덴서의 충전 전하를 상기 제1전압원 및 상기 제2전압원에 회생시키는 제2회생 회로를 구비하고,
    상기 제1회생 회로는, 회생시에 상기 제1스너버 콘덴서 및 상기 제2스너버 콘덴서와 공진시키는 제1공진부와, 상기 제1공진부에 직렬로 접속되어 상기 출력 트랜스의 일차측 전압을 변압한 소정 전압을 출력하는 제1전압인상부를 포함하며,
    상기 제2회생 회로는, 회생시에 상기 제3스너버 콘덴서 및 상기 제4스너버 콘덴서와 공진시키는 제2공진부와, 상기 제2공진부에 직렬로 접속되어 상기 출력 트랜스의 일차측 전압을 변압한 소정 전압을 출력하는 제2전압인상부를 포함하는 DC-DC 컨버터 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1공진부는, 회생시에, 상기 제1스너버 콘덴서와 공진시키는 제1공진 리액터와, 상기 제2스너버 콘덴서와 공진시키는 제2공진 리액터로 구성되고,
    상기 제1전압인상부는, 상기 제1공진 리액터에 직렬로 접속된 제1전압인상권선과, 상기 제2공진 리액터에 직렬로 접속된 제2전압인상권선으로 구성되며,
    상기 제2공진부는, 회생시에, 상기 제3스너버 콘덴서와 공진시키는 제3공진 리액터와, 상기 제4스너버 콘덴서와 공진시키는 제4공진 리액터로 구성되고,
    상기 제2전압인상부는, 상기 제3공진 리액터에 직렬로 접속된 제3전압인상권선과, 상기 제4공진 리액터에 직렬로 접속된 제4전압인상권선으로 구성되는 DC-DC 컨버터 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1전압원은 제1전원으로 구성되고, 상기 제2전압원은 제2전원으로 구성되어 있는 DC-DC 컨버터 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1전압원은 제1전압원 콘덴서로 구성되고, 상기 제2전압원은 제2전압원 콘덴서로 구성되며,
    상기 출력 트랜스는, 상기 제1전압원 및 상기 제2전압원을 기준으로 상기 제1일차권선에 대향하는 위치에서 상기 제1스위치 소자(S1)와 상기 제2스위치 소자(S2) 사이에 직렬적으로 접속되는 제2일차권선을 구비하고,
    상기 제1일차권선(P1) 및 상기 제2일차권선(P2)의 센터 탭 사이에 접속되고, 상기 제1전압원 콘덴서와 상기 제2전압원 콘덴서에 대하여 상기 제1일차권선(P1) 및 상기 제2일차권선(P2)을 통하여 에너지를 공급하는 전원을 구비하는 DC-DC 컨버터 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1전압원은 전원으로 구성되고, 상기 제2전압원은 제2전압원 콘덴서로 구성되며,
    상기 출력 트랜스는, 상기 전원 및 상기 제2전압원 콘덴서를 기준으로 상기 제1일차권선에 대향하는 위치에서 상기 제1스위치 소자(S1)와 상기 제2스위치 소자(S2) 사이에 직렬적으로 접속되는 제2일차권선(P2)을 구비하는 DC-DC 컨버터 회로.
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