KR20130013092A - 대칭형 양방향 공진형 컨버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직류응용분야에서 전력의 흐름이 양방향으로 전달 가능하면서, 정방향과 역방향 모두 동일한 구성을 가져서 설계가 단순화되고, 방향에 관계없이 소프트 스위칭이 가능하여 손실이 작고 고효율로 전력변환장치를 동작시킬 수 있으며, 양방향에서의 전력회로 동작이 같으므로 정방향, 역방향에 대해 동일하게 제어 동작도 가능하게 할 수 있는 대칭형 양방향 공진형 컨버터에 관한 것이다.

Description

대칭형 양방향 공진형 컨버터{Symmetric and Bidirectional Resonant Converter}

본 발명은 직류 전력변환장치에 관한 것으로서, 특히, 직류응용분야에서 전력의 흐름이 양방향으로 전달 가능하면서, 정방향과 역방향 모두 동일한 구성을 가져서 설계가 단순화되고, 방향에 관계없이 소프트 스위칭이 가능하여 손실이 작고 고효율로 전력변환장치를 동작시킬 수 있으며, 양방향에서의 전력회로 동작이 같으므로 정방향, 역방향에 대해 동일하게 제어 동작도 가능하게 할 수 있는 대칭형 양방향 공진형 컨버터에 관한 것이다.

점차 에너지 저장 및 전기차 그리고 신재생에너지의 활용분야를 통해 직류전력 변환기술의 적용이 확대되면서 양방향 전력변환기술의 활용 역시 점차 증가하고 있다. 이러한 응용분야에서 양방향 전력변환장치는 높은 신뢰성과 고효율 그리고 소형화되도록 전력밀도의 개선이 요구된다.

한편, 직류 전력변환장치는 효율 규정이 강화되면서 점차 부하가 작은 구간에서도 높은 효율이 요구되고 있으며, 이를 위해 부하에 관계없이 소프트 스위칭과 일정한 전압이득이 얻어지도록 요구되고 있다. 이에 따라 기본적인 컨버터회로에 다양한 보조회로가 첨가되어 경부하에서도 소프트 스위칭을 얻도록 하고 있으나 이것으로 인해 대부분 부가적인 손실이 초래된다. 또한 기존의 고효율을 얻도록 고안된 회로들은 양방향에 적합하지 않는 게 대다수이며 양방향회로에 적합한 모델은 소수에 지나지 않는다.

지금까지 사용된 양방향 전력변환장치는 주로 도 1에서 나타낸 것과 같은 강압형 컨버터와 승압형 컨버터의 조합을 이용하는 단순한 구조가 이용되었다. 변압기(TF), 스위치들(S1~S9), 커패시터(Ccl), 인덕터(L1)을 이용하는 도 1의 회로는 전력전달방향에서는 비교적 높은 효율이 얻어지지만 회생하는 승압 구조에서는 하드 스위칭과 전류원(Vi) 동작에 따른 전압 첨두치를 제한하기 위해 사용되는 보조회로(미도시) 등에 의해 효율이 나빠지는 단점이 있었다. 이를 개선하기 위해 회로를 변경하여 양방향 모두에서 강압 구조를 두는 회로를 일부 문헌에서 제안하기도 하였으나 입 출력전압을 일정한 범위에서 안정화 시키는 데에 역시 문제가 있으며 전압 변동을 허용해야 하는 단점이 있다. 그리고 부하(Load)가 낮은 구간에서는 역시 소프트 스위칭을 위해 부가적인 회로가 역시 필요하며 전류의 기울기가 높아서 첨두전류가 큰 단점이 있다.

이를 개선하여, 변압기(TF), 스위치들(S1~S8), 커패시터들(C1, C2), 인덕터들(Lr, Lm)을 이용하는 도 2의 회로처럼 공진형 구조를 도입하여 정방향과 역방향 모두에서 소프트 스위칭이 이뤄지면서 바라는 입 출력전압도 얻도록 전압 이득을 가지는 회로가 일부 문헌에서 역시 제안되었다. 그렇지만 이 역시 양방향의 공진 특성이 달라지고 등가적인 구조가 전력전달 방향에 따라 달라지므로 회로 설계가 어렵고 바라는 전압 이득을 얻도록 설계하기가 쉽지 않는 단점이 있다. 즉, 공진 인덕터가 있는 정방향은 LLC(Lr, Lm, C1) 공진 특성이 지배적이지만, 공진인덕터가 없는 역방향은 LC 직렬공진 특성이 강하게 나타나는 특성을 가진다.

대부분의 종래의 양방향 컨버터는 위와 같은 세가지 모델을 바탕으로 변형된 구조를 이용하여 구성되었고, 이러한 종래의 양방향 컨버터들에서 전력의 흐름이 정방향인 경우와 역방향인 경우는 회로의 구조가 달라지게 되며 이에 따라 바라는 이득과 손실저감을 위해 소프트 스위칭 특성을 얻기가 매우 어려운 단점이 있거나 정방향과 역방향에 대해 설계방법과 제어기 역시 달라지게 되며 이를 실제 구현하기가 쉽지 않은 단점을 역시 가지고 있다. 따라서, 이를 개선하기 위한 기술이 필요하다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 고압 또는 저압에서 전력의 흐름과 관계없이 양방향 모두 대칭적인 동일한 회로 구조를 가지며 CLLC 공진 구조를 어느 방향으로든 얻으므로 높은 입, 출력 전압 이득이 주파수에 의해 자유롭게 얻어지고, 전력의 전달모드와 회생모드에 동일한 소프트 스위칭이 항상 얻어지며, 부하에 관계없이 일정한 동작 특성이 이루어지므로, 기존 회로들에서 문제가 된 경부하에서의 하드 스위칭이나 보조회로의 필요성 또는 양방향에 대해 다른 제어기 구조나 복잡한 설계가 필요없이 높은 효율을 갖도록 구현될 수 있는 대칭형 양방향 공진형 컨버터를 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른, 입력 직류 전원을 승압 또는 강압 직류 변환하기 위한 대칭형 양방형 공진형 컨버터는, 제1 브릿지 회로와 제2 브릿지회로 사이에 결합된 제1공진회로, 변압기, 제2공진회로를 포함하고, 상기 제1 브릿지 회로의 출력 양단 사이에, 제1인덕터와 제1커패시터로 이루어진 상기 제1공진회로를 연결하되, 상기 제1인덕터, 상기 변압기의 일차측 코일, 및 상기 제1커패시터를 직렬연결시키며, 상기 제2 브릿지 회로의 입력 양단 사이에, 제2인덕터와 제2커패시터로 이루어진 상기 제2공진회로를 연결하되, 상기 제2인덕터, 상기 변압기의 이차측 코일, 및 상기 제2커패시터를 직렬연결시킨 구조를 포함하고, 상기 제1 브릿지 회로를 통해 전압방향을 일정 주기로 변화시켜 상기 제1공진회로로 입력하고, 상기 제2 브릿지 회로를 통해 정류된 공진 전압을 생성하거나, 상기 제 2브릿지 회로를 통해 전압방향을 일정 주기로 변화시켜 상기 제2공진회로로 입력하고, 상기 제1 브릿지 회로를 통해 정류된 회생전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 브릿지 회로 또는 상기 제2 브릿지회로는 상기 주기에 동기하여 턴온 또는 턴오프하는 복수의 스위치들을 구비하는 풀 브릿지회로 또는 하프 브릿지회로일 수 있다.

상기 제1 브릿지 회로와 상기 제2 브릿지회로의 스위치들을 상기 제1공진회로와 상기 제2공진회로의 공진 주파수보다 높은 주파수로 스위칭하여 상기 스위치들의 영전압 턴온을 유지함으로써 도통손실을 저감할 수 있다.

상기 제1인덕터와 상기 제2인덕터를 상기 변압기의 내부 누설인덕턴스로 구현하여 상기 변압기 내부에 등가적으로 포함되게 할 수 있다.

본 발명에 따른 대칭형 양방향 공진형 컨버터에 따르면, 경부하에서 전부하에 이르기까지 일정한 소프트 스위칭을 통해 회로의 고효율화가 가능하고 전력전달 방향에 관계없이 동일한 회로 구조를 가지므로 설계가 용이하고 제어기구조가 전력방향에 관계없이 동일하며 사용하는 공진소자의 값들이 절연 변압기의 입력과 출력이 동일하도록 환산할 경우 같은 값이므로 설계와 구현이 간단해지는 장점이 있다.

도1은 종래의 승강압형 양방향 컨버터의 회로도이다.
도2는 종래의 양방향 공진형 컨버터의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 대칭형 양방형 공진형 컨버터의 회로도이다.
도 4는 도 3에서 변압기, 커패시터들, 인덕터들에 대한 등가 회로도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대칭형 양방형 공진형 컨버터의 회로도이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 대칭형 양방형 공진형 컨버터(100)의 회로도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 대칭형 양방형 공진형 컨버터(100)는, 직류 전원(Vin)과 부하(Load) 사이에, 변압기(TF), 일차측 브릿지 회로인 스위치들(S1~S4), 이차측 브릿지 회로인 스위치들(S5~S8), 커패시터들(C1, C2), 인덕터들(L1, L2)을 포함한다. 도 3에서, Lm은 변압기(TF) 내부에 등가적으로 존재하는 자화 인덕턴스 성분을 인덕터로 표시한 것이다. 도 4는 도 3에서 변압기(TF), 커패시터들(C1, C2), 인덕터들(L1, L2)에 대한 등가 회로도이다.

도 3과 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 대칭형 양방형 공진형 컨버터(100)는 정방향, 역방향 양쪽 방향 모두에서 공진 인덕터(L1/L2)와 공진 커패시터(C1/C2)가 대칭적으로 결합되며, C1-L1-L2-C2의 구조를 가지고 있다.

도 3과 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 대칭형 양방형 공진형 컨버터(100)는, 일차측 브릿지 회로인 스위치들(S1~S4)과 이차측 브릿지 회로인 스위치들(S5~S8) 사이에 변압기(TF), 커패시터들(C1, C2), 인덕터들(L1, L2)이 결합되는 구조이며, 정방향 동작에서 스위치들(S1~S4) 쪽에 직류 전원(Vin)을 인가하고 스위치들(S5~S8) 쪽을 출력단으로 할 수 있으며, 또는, 역방향 동작에서 스위치들(S5~S8) 쪽에서 직류 전원(Vin)으로 전력이 전달되도록 스위치들(S1~S4) 쪽을 출력단으로 할 수도 있다. 도 3과 같이 직류 전원(Vin)이 인가되는 쪽의 스위치들(S1~S4)은 S1, S4의 턴온(이때 S2,S3의 턴오프)과 S2,S3의 턴온(이때 S1,S4의 턴오프)를 교대로 반복하여 일차측 공진회로(L1, Lm, C1)로 흐르는 전류(또는 인가 전압)의 방향을 변화시키며, 출력단 쪽의 스위치들(S5~S8)은 다이오드로 동작할 수 있으며(반도체 스위치인 FET(Filed Effect Transistor)의 턴온/오프가 제어되지 않고 다이오드로 동작하는 경우), 필요에 따라(S1~S4과 유사하게 각 스위치의 턴온/오프가 제어되는 경우) 동기정류 스위치로 동작할 수 있다.

도 3과 같이, 변압기(TF) 일차측 스위치들(S1~S4)과 변압기(TF) 이차측 스위치들(S5~S8)은 풀 브릿지 형태로 구성되어 정류 기능을 수행할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 반파만 정류하도록 각각을 스위치 2개씩만 사용하고 커패시터들 등을 부가한 하프 브릿지 형태로 구성할 수도 있다.

도 3에서, 일차측 브릿지 회로인 스위치들(S1~S4)의 출력 양단 사이에 일차측 공진회로(L1, Lm, C1)를 연결하되, 인덕터(L1), 변압기(TF) 일차측 코일, 및 커패시터(C1)가 직렬연결되며, 이차측 브릿지 회로인 스위치들(S5~S8)의 입력 양단 사이에 이차측 공진회로(L2, C2)를 연결하되 인덕터(L2), 변압기(TF) 이차측 코일, 및 커패시터(C2)가 직렬연결되도록 구성한다. 위에서 기술한 바와 같이 Lm은 변압기(TF) 내부에 등가적으로 존재하는 자화 인덕턴스 성분을 인덕터로 표시한 것이다.

이와 같은 구조에서, 양방향 동작은 어느 쪽으로나 동일하므로 도 3과 같이 정방향(좌측에서 전원 입력, 우측 부하로 출력)에 대해 설명하기로 한다.

먼저, 변압기(TF) 일차측 공진회로(L1, Lm, C1)와 스위치들(S1~S4)의 동작에 대해 살펴보면, 스위치 S1과 S4가 턴온되면 전원(Vin)의 입력 전력은 출력측 부하로 전달된다. 그리고, 공진회로에서 변압기(TF) 일차측은 C1과 L1, Lm에 의해, 그리고 변압기(TF) 이차측은 C2와 L2에 의해 공진현상이 일어나며 공진 이득과 위상에 의해 입력전압의 모양과 크기가 달라지고 변압기(TF)의 일차측/이차측 권선비만큼 크기가 바뀌어서 출력단 정류회로(S5~S8)로 공진전압(또는 회생전압)이 전달된다. 이때, 공진회로의 설계에서 일차측 반도체 스위치의 영전압 스위칭(전압 변화(감소)가 실질적으로 없는 스위칭)이 얻어지도록 공진주파수 보다 높은 영역에서 스위치들(S1~S8)의 스위칭이 일어나도록 하며 바라는 동작 주파수 범위에서 충분한 출력 이득과 출력제어가 가능하도록 한다.

다음 동작에서 스위치 S1만이 꺼지거나 S1과 S4가 동시에 꺼질 수도 있다. 스위치 S1과 S4가 꺼지게 되면 앞서 설명한 바와 같이 공진주파수 보다 스위칭 주파수가 높으면 스위치 전류의 방향이 그대로 유지되므로 흐르던 전류의 흐름에 의해 S1, S4 로 흐르던 전류는 S2와 S3의 역방향 다이오드(반도체 스위치의 채널 하부 기판에 형성된 등가 다이오드)를 통해 흐르게 되어 S2와 S3의 영전압 턴 온이 가능해진다. 만약, S1만이 꺼지면 이후, S2와 S4가 켜져서 출력으로 전력이 전달되지 않고 환류되는 모드로 회로가 동작할 수 있다. 이때 전류의 방향이 계속 일정하다면 S4가 꺼진 뒤에는 S3의 역방향 다이오드가 역시 턴 온 되고 역시 S3의 영전압 스위칭이 가능해져서 스위치 도통 손실을 줄일 수 있다. 이후, S2와 S3가 켜져서 공진회로(L1, Lm, C1)로 역방향의 전압이 인가되고 동작 모드는 상기 설명과 동일한 원리로 반복되게 된다.

도 4와 같이, 변압기(TF) 일차측 공진회로(L1, Lm, C1)와 변압기(TF) 이차측 공진회로(L2, C2)가 등가회로를 통해 간략화될 수 있으며, 변압기(TF) 내부의 자화 인턱턴스 성분 Lm은 L1과 L2 의 공진 인덕터 보다 큰 값으로 설계되며 공진동작에서 정방향에서는 L1과 C1에 의해 공진하며 입력 V1의 변환된 전압 V2를 출력하고 역방향에서는 L2와 C2와 함께 공진동작을 하여 전압 V2의 변환된 값 V1을 출력한다. 일차측 스위치들(S1~S4)은 위의 설명에서처럼 공진동작에 의해 전류의 흐름이 스위치 턴 오프시점에 일정하게 유지되므로 다음에 턴 온 될 스위치들의 역방향 다이오드들이 켜지게 된다. 그러므로 스위치들의 턴온 때에 전압 변화없이 영전압 스위칭이 자연스레 이뤄지며 스위치 도통 손실이 최소화된다. 그리고 이차측에서는 공진 회로(L2, C2)의 전류가 출력측으로 전달되면서 상승한 뒤에 공진동작에 의해 영으로 다시 감소하게 된다. 이에 따라 이차측 스위치들(S5~S8)은 전류가 흐르지 않는 상태에서 꺼지게 되며 영전류 스위칭이 자연스레 얻어진다. 이차측 스위치들(S5~S8)은 동기정류 기능으로 스위치가 동작하거나 아니면 단순히 다이오드로 동작할 수 있다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대칭형 양방형 공진형 컨버터(200)의 회로도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 대칭형 양방형 공진형 컨버터(200)는, 도 3과 유사한 구성으로 이루어지고, 다만, 도 3의 공진 인덕터 L1 과 L2를 외부에 개별 소자로 구비하지 않고 고주파 변압기(TF)의 내부 누설인덕턴스로 구현하여 변압기 내부에 등가적으로 포함되게 하고, 회로상에서 공진 커패시터 C1과 C2 만을 개별 소자로 구비하도록 구현한 구조이다. 이에 따라 소자의 수를 줄이고 장치 구현에서 부피를 줄일 수 있는 장점이 있다. 인덕터 L1 과 L2의 일부 인덕턴스만이 변압기(TF)의 내부 누설인덕턴스로 구현될 수도 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

변압기(TF)
스위치들(S1~S8)
커패시터들(C1, C2)
인덕터들(L1, L2)

Claims (4)

1. 입력 직류 전원을 승압 또는 강압 직류 변환하기 위한 대칭형 양방형 공진형 컨버터에 있어서,
   제1 브릿지 회로와 제2 브릿지회로 사이에 결합된 제1공진회로, 변압기, 제2공진회로를 포함하고,
   상기 제1 브릿지 회로의 출력 양단 사이에, 제1인덕터와 제1커패시터로 이루어진 상기 제1공진회로를 연결하되, 상기 제1인덕터, 상기 변압기의 일차측 코일, 및 상기 제1커패시터를 직렬연결시키며,
   상기 제2 브릿지 회로의 입력 양단 사이에, 제2인덕터와 제2커패시터로 이루어진 상기 제2공진회로를 연결하되, 상기 제2인덕터, 상기 변압기의 이차측 코일, 및 상기 제2커패시터를 직렬연결시킨 구조를 포함하고,
   상기 제1 브릿지 회로를 통해 전압방향을 일정 주기로 변화시켜 상기 제1공진회로로 입력하고, 상기 제2 브릿지 회로를 통해 정류된 공진 전압을 생성하거나, 상기 제 2브릿지 회로를 통해 전압방향을 일정 주기로 변화시켜 상기 제2공진회로로 입력하고, 상기 제1 브릿지 회로를 통해 정류된 회생전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 대칭형 양방형 공진형 컨버터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 브릿지 회로 또는 상기 제2 브릿지회로는 상기 주기에 동기하여 턴온 또는 턴오프하는 복수의 스위치들을 구비하는 풀 브릿지회로 또는 하프 브릿지회로인 것을 특징으로 하는 대칭형 양방형 공진형 컨버터.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 브릿지 회로와 상기 제2 브릿지회로의 스위치들을 상기 제1공진회로와 상기 제2공진회로의 공진 주파수보다 높은 주파수로 스위칭하여 상기 스위치들의 영전압 턴온을 유지함으로써 도통손실을 저감하는 것을 특징으로 하는 대칭형 양방형 공진형 컨버터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1인덕터와 상기 제2인덕터를 상기 변압기의 내부 누설인덕턴스로 구현하여 상기 변압기 내부에 일부 또는 전체가 등가적으로 포함되게 한 것을 특징으로 하는 대칭형 양방형 공진형 컨버터.

Images