KR20140004968A - 병렬 운전형 풀 브리지 컨버터 구동 장치 - Google Patents

병렬 운전형 풀 브리지 컨버터 구동 장치 Download PDF

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KR20140004968A
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김우섭
이재호
양천석
이제현
조보형
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엘에스산전 주식회사
서울대학교산학협력단
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Abstract

병렬 운전형 풀 브리지 컨버터의 구동 장치로서, 제1 레그, 제2 레그, 제3 레그에 한쌍씩 직렬 연결된 6개의 구동 스위치를 포함하며, 직류를 스위칭하여 교류 전압을 생성하는 구동 스위치부; 두개의 모듈로 구분되어 상기 구동 스위치부로부터 생성된 교류 전압을 1차측 권선과 2차측 권선의 권선비에 따라 전압 변환을 수행하는 변압부; 인터리빙 방식을 위한 두 개의 모듈로 구분되어 상기 변압부의 출력 전압을 정류하고 필터링하여 출력하는 정류 및 필터부; 상기 구동 스위치부에 스위칭 제어신호를 출력하는 구동 제어부를 포함하며, 상기 구동 제어부는, 상기 제2 레그에 대한 스위칭 제어 신호의 파형을 기준으로, 상기 제1 레그에 스위칭 제어 신호의 파형은 상기 제2 레그에 대한 스위칭 제어 신호의 파형의 앞쪽에서 제1 위상각 만큼 중첩되고, 제3 레그에 대한 스위칭 제어 신호의 파형은 제2 레그에 대한 스위칭 제어 신호의 파형의 뒤쪽에서 제2 위상각 만큼 중첩되도록 스위칭 제어 신호를 출력하는 병렬 운전형 풀 브리지 컨버터 구동 장치가 제공된다.

Description

병렬 운전형 풀 브리지 컨버터 구동 장치{apparatus for driving interleaved full bridge converter}
본 발명은 병렬 운전형 풀 브리지 컨버터 구동 장치에 관한 것으로, 상세하게는 인터리빙 동작에 의한 모듈 수에 비하여 구동 스위치의 개수를 저감시키는 풀 브리지 컨버터 구조와 두 모듈의 인터리빙이 가능하도록 구동하는 병렬 운전형 풀 브리지 컨버터 구동 장치에 관한 것이다.
본 발명은 OBC(on-board charger), LDC(low-voltage dc/dc converter)를 포함한 차량용 충전장치 설계에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 대전류 출력형 이용 분야에서 출력단 손실 감소 및 전류 리플 감소를 위하여 출력 필터 구조를 단순화하는데 이용될 수 있다.
차랑용 배터리 충전기와 같이 출력 전압이 낮고 출력 전류가 높은 분야에서 고효율 대전류형 전력변환 장치에 대한 수요가 증가하고 있다.
현재까지 대전력 분야에서 주로 쓰이고 있는 위상천이 풀 브리지 컨버터는 단일 모듈로 이용시에 자성 소자 크기 증가로 인한 시스템 부피 증가와 경부하 효율 감소의 문제를 안고 있다.
단일 모듈의 구조적 문제를 해결하고 출력 전압 및 전류의 리플을 줄이기 위하여 위상 천이형 풀 브리지(phase shifted full bridge, PSFB) 컨버터 다수를 병렬 연결하여 병렬 운전 또는 인터리빙 운전하는 방식이 도입되고 있다.
특히 컨버터가 제공해야 할 전력량이 증가하면서 이러한 병렬 운전 구조 및 구동 방법의 이용이 증가하고 있다. 그러나 기존의 병렬 운전 기법의 경우 모듈의 수가 늘어날수록 구동 스위치의 개수가 모듈수에 비례해서 증가하는 문제가 있다. 또한 인터리빙 운전기법을 위한 구동 시퀀스 계산이 복잡해 진다.
도 1은 종래의 단일형 풀 브리지 컨버터의 회로 구성도이다.
도 1을 참조하면, 풀 브리지 방식의 DC/DC 컨버터 회로는 구동 스위치부(1), 변압부(2), 정류 및 필터부(3)를 포함하고 있다.
정류 및 필터부(3)는 정류를 위한 다이오드와, 필터링을 위한 인덕터 및 콘덴서를 포함하고 있다. 인덕터는 출력단 전류 리플 사양을 만족하고 콘덴서 용량 및 사용개수를 감소시키기 위하여 출력단에 삽입된다.
단일형 풀 브리지 컨버터는 변압부(2)의 누설인덕턴스에 저장되는 에너지(전류)와 출력전류를 이용하여 주 스위치의 영전압 스위칭을 달성하여 효율을 증가시킨다.
단일형 풀 브리지 컨버터는 변압부(2)의 출력 전류의 리플 성분이 크기 때문에 콘덴서에 직접 인가하게 되면 콘덴서의 용량뿐 아니라 콘덴서 개수가 증가하게 되어 정류 및 필터부(3)의 전체 부피가 증가하게 된다.
출력 전류변화와 콘덴서 입력 전류 리플을 감소시킬 목적으로 인덕터의 용량을 크게 할 수 있지만, 출력 전류가 높아질수록 인덕터의 도통 손실 및 코어 손실이 증가하기 때문에, 대전류 출력형에서 효율 감소의 원인이 된다. 이와 같이 단일 모듈의 경우 필터 크기가 증가하게 되어 전원장치 전체 구조가 증가하는 문제가 있다.
도 2는 종래의 병렬 연결형 풀 브리지 컨버터의 회로 구성도이다.
도 2를 참조하면 , 종래의 병렬 연결형 풀 브리지 컨버터는 제1 구동 스위치부(110), 제1 변압부(120), 제1 정류 및 필터부(130), 제2 구동 스위치부(210), 제2 변압부(220), 제2 정류 및 필터부(230)를 포함하고 있다.
그러나, 이와 같은 구성은 모듈수에 비례하여 구동 스위치를 포함한 전체 소자수가 증가하게 되어 시스템 복잡도가 증가하게 된다. 특히 반도체 스위치 소자의 증가는 가격상승의 주요 원인이 된다.
도 1 및 도 2의 회로는 도 3에 도시된 바와 같이 구동 스위치의 게이트 단자에 대한 스위칭 제어를 통하여 풀 브리지 스위치를 구성할 수 있다. 각 레그에는 두개의 스위치가 존재하며 각각 50%의 시비율을 갖는다. 브리지 스위치의 대각선 스위치가 도통되었을 때 변압부(2)로 전력이 전달되어 출력전압을 생성한다.
도 2와 같이 병렬 운전하는 경우 도 1의 구동방식을 그대로 이용하면 단순히 출력전력이 두 배가 된다. 하지만 도 1의 구동방식을 90도씩 뒤틀어 각 모듈에 인가하면 인터리빙 효과에 의해서 출력 전압 및 전류의 리플이 감소하는 효과를 얻을 수 있다. 이와 같이 병렬구성의 경우 필터 소자값을 줄이기 위하여 인터리빙 운전방법을 채택하게 된다. 모듈이 증가할수록 인터리빙을 위한 구동 회로가 증가하는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 위에서 설명한 풀 브리지 컨버터 복수개의 병렬운전시 야기되는 스위치 소자 증가 및 구동 복잡도 증가 문제를 해결하기 위하여 기존의 8개 스위치가 아닌 6개의 스위치로 구성된 인터리빙 방식의 풀 브리지 컨버터와 인터리빙 방식의 게이트 구동 방식을 이용한 병렬 운전형 풀 브리지 컨버터 구동 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일측면에 의하면, 병렬 운전형 풀 브리지 컨버터의 구동 장치로서, 제1 레그, 제2 레그, 제3 레그에 한쌍씩 직렬 연결된 6개의 구동 스위치를 포함하며, 직류를 스위칭하여 교류 전압을 생성하는 구동 스위치부; 두개의 모듈로 구분되어 상기 구동 스위치부로부터 생성된 교류 전압을 1차측 권선과 2차측 권선의 권선비에 따라 전압 변환을 수행하는 변압부; 두 개의 모듈로 구분되어 상기 변압부의 출력 전압을 정류하고 필터링하여 출력하는 정류 및 필터부; 상기 구동 스위치부에 스위칭 제어신호를 출력하는 구동 제어부를 포함하며, 상기 구동 제어부는, 상기 제2 레그에 대한 스위칭 제어 신호의 파형을 기준으로, 상기 제1 레그에 스위칭 제어 신호의 파형은 상기 제2 레그에 대한 스위칭 제어 신호의 파형의 앞쪽에서 제1 위상각 만큼 중첩되고, 제3 레그에 대한 스위칭 제어 신호의 파형은 제2 레그에 대한 스위칭 제어 신호의 파형의 뒤쪽에서 제2 위상각 만큼 중첩되도록 스위칭 제어 신호를 출력하는 병렬 운전형 풀 브리지 컨버터 구동 장치가 제공된다.
상기 제1 위상각과 제2 위상각은 서로 동일할 수 있다.
상기 제1 위상각 및 상기 제2 위상각은 90도일 수 있다.
제1항에 있어서, 상기 정류 및 필터부는, 정류 다이오드를 이용한 정류기 회로를 포함할 수 있다.
상기 정류 및 필터부는, MOSFET를 이용한 동기 정류 회로를 포함할 수 있다.
상기 정류 및 필터부는, 결합형 인덕터(coupled inductor) 구조로 연결된 제1 필터 인덕터와 제2 필터 인덕터로 이루어진 필터 회로를 포함할 수 있다.
상기 구동 스위치부는, 제1 구동 스위치, 제5 구동 스위치, 제3 구동 스위치의 각 드레인 단자는 서로 연결되어 있으며, 입력 전원의 양극단자가 연결되며, 제2 구동 스위치, 제6 구동 스위치, 제4 구동 스위치의 각 소스 단자는 서로 연결되어 있으며, 입력 전원의 음극단자가 연결되며, 상기 제1 구동 스위치의 소스 단자에는 상기 제2 구동 스위치의 드레인 단자가 연결되고, 상기 제5 구동 스위치의 소스 단자에는 상기 제6 구동 스위치의 드레인 단자가 연결되며, 상기 제3 구동 스위치의 소스 단자에는 제4 구동 스위치의 드레인 단자가 연결될 수 있다.
상기 풀 브리지 컨버터는 위상 천이형 풀 브리지(phase shifted full bridge, PSFB) 컨버터일 수 있다.
본 발명에 의하면, 스위칭 구간에서 중복되는 시퀀스를 하나의 스위치에 인가하도록 구동함으로써 6개의 구동 스위치를 이용하여 두 개의 모듈을 병렬 운전함으로써 출력 전류 리플을 저감시킬 수 있다. 출력 전류 리플을 줄일 수 있음에 따라 출력 필터의 크기를 감소시킬 수 있다.
또한, 출력 전압은 중첩되는 구동 스위치와 다른 구동 스위치들과의 두 개의 위상각 차이를 이용하여 제어한다. 또한, 전류가 두 개의 모듈로 나누어 출력되므로 출력단이 대전류 형태의 구조에서는 도통 손실의 감소를 기대할 수 있다.
도 1은 종래의 단일형 풀 브리지 컨버터의 회로 구성도이다.
도 2는 종래의 병렬 연결형 풀 브리지 컨버터의 회로 구성도이다.
도 3은 종래의 풀 브리지 컨버터의 스위칭 제어 신호의 파형도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 풀 브리지 컨버터의 회로 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 풀 브리지 컨버터의 스위칭 제어 신호 파형도를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들을 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 풀 브리지 컨버터의 회로 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 풀 브리지 컨버터는 구동 스위치부(10), 변압부(20), 정류 및 필터부(30)를 포함하여 구성될 수 있다.
구동 스위치부(10)는 풀 브릿지로 동작하는 제1 구동 스위치(S1) 내지 제6 구동 스위치(S6)의 6개의 구동 스위치를 포함하여 구성된다.
구동 스위치부(10)는 직류(Vin)를 입력받아 제1 구동 스위치(S1) 내지 제6 구동 스위치(S6)의 구동에 의해 교류 전압을 생성하여 변압부(20)에 출력한다.
여기에서 제1 구동 스위치(S1), 제5 구동 스위치(S5), 제3 구동 스위치(S3)는 풀 브리지 회로의 상부 구동 스위치로 동작한다. 제2 구동 스위치(S2), 제6 구동 스위치(S6), 제4 구동 스위치(S4)는 풀 브리지 회로의 하부 구동 스위치로 동작한다.
이에 따라, 제1 구동 스위치(S1), 제5 구동 스위치(S2), 제3 구동 스위치(S3)의 각 드레인 단자는 서로 연결되어 있으며, 입력 전원(Vin)의 양극단자가 연결된다.
제2 구동 스위치(S2), 제6 구동 스위치(S6), 제4 구동 스위치(S4)의 각 소스 단자는 서로 연결되어 있으며, 입력 전원(Vin)의 음극단자가 연결된다.
제1 구동 스위치(S1)의 소스 단자에는 제2 구동 스위치(S2)의 드레인 단자가 연결된다. 제5 구동 스위치(S5)의 소스 단자에는 제6 구동 스위치(S6)의 드레인 단자가 연결된다. 제3 구동 스위치(S3)의 소스 단자에는 제4 구동 스위치(S4)의 드레인 단자가 연결된다.
제1 구동 스위치(S1) 내지 제6 구동 스위치(S6)의 각 게이트 단자에는 구동 제어부(40)로부터 스위칭 제어 신호가 인가된다.
제1 구동 스위치(S1)와 제6 구동 스위치(S6)가 모두 턴온 상태이면, 제1 구동 스위치(S1), 제1 변압부(21), 제6 구동 스위치(S6)의 전류 경로가 형성된다.
제4 구동 스위치(S4)와 제5 구동 스위치(S5)가 모두 턴온 상태이면, 제5 구동 스위치(S5), 제2 변압부(22), 제4 구동 스위치(S4)의 전류 경로가 형성된다.
제3 구동 스위치(S3)와 제6 구동 스위치(S6)가 모두 턴온 상태이면, 제3 구동 스위치(S3), 제2 변압부(22), 제 6 구동 스위치(S6)의 전류 경로가 형성된다.
제2 구동 스위치(S2)와 제5 구동 스위치(S5)가 모두 턴온 상태이면, 제5 구동 스위치(S5), 제1 변압부(21), 제2 구동 스위치(S2)의 전류 경로가 형성된다.
제5 구동 스위치(S5)와 제6 구동 스위치(S6)로 이루어지는 제2 레그는 풀 브리지 회로의 제어 기준이 된다. 이에 따라, 제1 구동 스위치(S1) 제2 구동 스위치(S2)로 이루어지는 제1 레그와, 제3 구동 스위치(S3)와 제4 구동 스위치(S4)로 이루어지는 제3 레그는 제2 레그를 기준으로 대칭적으로 동작한다.
변압부(20)는 구동 스위치부(10)로부터 생성된 교류 전압을 입력받아 1차측 권선과 2차측 권선의 권선비에 따라 전압 변환을 수행하여 정류 및 필터부(30)에 출력한다. 도면에서 Lr1과 Lr2는 변압기의 누설 인덕턴스를 도시한 것이며, 공진 에너지가 부족할 경우 변압부(20)에 별도로 설치될 수 있다.
변압부(20)는 상측에 위치하는 제1 변압부(21)와 하측에 위치하는 제2 변압부(22)를 포함한다. 제1 변압부(21)의 2차측 출력은 제1 정류 다이오드(D1)와 제2 정류 다이오드(D2)로 이루어진 제1 정류회로를 거쳐 제1 필터 인덕터(L1)에 연결된다. 제2 변압부(22)의 2차측 출력은 제3 정류 다이오드(D3)와 제4 정류 다이오드(D4)로 이루어진 제2 정류회로를 거쳐 제2 필터 인덕터(L2)에 연결된다.
본 발명의 실시예에서는 제1 정류 및 필터부(31) 및 제2 정류 및 필터부(32)에서 제1 정류 회로는 제1 정류 다이오드(D1) 및 제2 정류 다이오드(D2)를 포함하고, 제2 정류 회로는 제3 정류 다이오드(D3) 및 제4 정류 다이오드(D4)를 포함하여 구성되어 있다. 그렇지만, 본 발명의 다른 실시예에서는 제1 정류 회로 및 제2 정류 회로가 MOSFET를 이용한 동기 정류 회로로도 구현이 가능하다.
정류 및 필터부(30)의 제1 필터 인덕터(L1)와 제2 필터 인덕터(L2)는 공통 필터 커패시터(C1)과 함께 출력 필터부를 구성한다.
구동 제어부(40)는 구동 스위치부(10)의 제1 구동 스위치(S1) 내지 제6 구동 스위치(S6)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 스위칭 제어 신호를 생성하여 출력한다. 구동 제어부(40)는 아날로그 회로 또는 디지털 회로로 구현될 수 있다. 예를 들어, 구동 제어부(40)는 아날로그 회로로 구현되는 경우 PWM IC 1개를 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 구동 제어부(40)를 디지털 회로로 구현할 때에서 θ1과 θ2를 같게 설정하면 계산 용량이 줄어들어서 메모리 사용량을 줄일 수 있기 때문에 낮은 사양의 마이크로 프로세서에서 구현이 가능하다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 풀 브리지 컨버터의 스위칭 제어 신호의 파형도이다.
제5 구동 스위치(S5)와 제6 구동 스위치(S6)의 제2 레그를 기준으로 제1 구동 스위치(S1)와 제2 구동 스위치(S2)의 제1 레그와, 제3 구동 스위치(S3)와 제4 구동 스위치(S4)의 제3 레그는 대칭적으로 동작함에 따라 제6 구동 스위치(S6)의 동작을 설명하도록 한다.
제1 구동 스위치(S1)의 게이트 단자에 인가되는 스위칭 제어 신호 파형은 제6 구동 스위치(S6)의 게이트 단자에 인가되는 스위칭 제어 신호 파형의 앞쪽에서 제6 구동 스위치(S6)의 게이트 파형과 중첩된다. 한편, 제3 구동 스위치(S3)의 게이트 단자에 인가되는 스위칭 제어 신호 파형은 제6 구동 스위치(S6)의 뒤쪽에서 중첩된다.
이때, 제1 구동 스위치(S1)의 스위칭 제어 신호 파형과 제6 구동 스위치(S6)의 스위칭 제어 신호 파형의 중첩되는 부분을 위상각 θ1이라 한다.
제3 구동 스위치(S3)의 스위칭 제어 신호 파형과 제6 구동 스위치(S6)의 스위칭 제어 신호 파형의 중첩되는 부분을 위상각 θ2라 한다.
따라서, 이 두 구간동안에 변압부(20)에 입력 전압이 인가되기 때문에 출력으로 전력이 전달된다. θ1과 θ2의 크기를 변화하거나 각 게이트 단자에 인가되는 스위칭 제어신호의 시비율을 변경하여 변압부(20)의 출력 전압이 제어될 수 있다.
이때, θ1과 θ2의 동작은 상이한 구간에서 작동하게 되므로 각 인덕터(L1 및 L2)를 통해 출력되는 전류(IL1 및 IL2)의 위상은 서로 180도 뒤집어지게 된다. 이로 인하여 출력 전류 리플(Io)이 감소하게 된다. 아울러, 출력 전압 리플도 감소하게 된다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
예를 들어, 도 4에 도시된 본 발명의 일실시예에서는 정류 및 필터부(30)에서 제1 필터 인덕터(L1)와 제2 필터 인덕터(L2)를 각각 구비하였으나, 본 발명의 변형 실시예에서는 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)를 결합형 인덕터(coupled inductor) 구조로 변형하여 구현함으로써 전류 분산 방식의 개량할 수 도 있다.

Claims (8)

  1. 병렬 운전형 풀 브리지 컨버터의 구동 장치로서,
    제1 레그, 제2 레그, 제3 레그에 한쌍씩 직렬 연결된 6개의 구동 스위치를 포함하며, 직류를 스위칭하여 교류 전압을 생성하는 구동 스위치부;
    두개의 모듈로 구분되어 상기 구동 스위치부로부터 생성된 교류 전압을 1차측 권선과 2차측 권선의 권선비에 따라 전압 변환을 수행하는 변압부;
    두 개의 모듈로 구분되어 상기 변압부의 출력 전압을 정류하고 필터링하여 출력하는 정류 및 필터부;
    상기 구동 스위치부에 스위칭 제어신호를 출력하는 구동 제어부를 포함하며,
    상기 구동 제어부는,
    상기 제2 레그에 대한 스위칭 제어 신호의 파형을 기준으로, 상기 제1 레그에 스위칭 제어 신호의 파형은 상기 제2 레그에 대한 스위칭 제어 신호의 파형의 앞쪽에서 제1 위상각 만큼 중첩되고, 제3 레그에 대한 스위칭 제어 신호의 파형은 제2 레그에 대한 스위칭 제어 신호의 파형의 뒤쪽에서 제2 위상각 만큼 중첩되도록 스위칭 제어 신호를 출력하는 병렬 운전형 풀 브리지 컨버터 구동 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 위상각과 제2 위상각은 서로 동일한 병렬 운전형 풀 브리지 컨버터 구동 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 위상각 및 상기 제2 위상각은 90도인 병렬 운전형 풀 브리지 컨버터 구동 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 정류 및 필터부는,
    정류 다이오드를 이용한 정류기 회로를 포함하는 병렬 운전형 풀 브리지 컨버터 구동 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 정류 및 필터부는,
    MOSFET를 이용한 동기 정류 회로를 포함하는 병렬 운전형 풀 브리지 컨버터 구동 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 정류 및 필터부는,
    결합형 인덕터(coupled inductor) 구조로 연결된 제1 필터 인덕터와 제2 필터 인덕터로 이루어진 필터 회로를 포함하는 병렬 운전형 풀 브리지 컨버터 구동 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 구동 스위치부는,
    제1 구동 스위치, 제5 구동 스위치, 제3 구동 스위치의 각 드레인 단자는 서로 연결되어 있으며, 입력 전원의 양극단자가 연결되며,
    제2 구동 스위치, 제6 구동 스위치, 제4 구동 스위치의 각 소스 단자는 서로 연결되어 있으며, 입력 전원의 음극단자가 연결되며,
    상기 제1 구동 스위치의 소스 단자에는 상기 제2 구동 스위치의 드레인 단자가 연결되고, 상기 제5 구동 스위치의 소스 단자에는 상기 제6 구동 스위치의 드레인 단자가 연결되며, 상기 제3 구동 스위치의 소스 단자에는 제4 구동 스위치의 드레인 단자가 연결된 병렬 운전형 풀 브리지 컨버터 구동 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 풀 브리지 컨버터는 위상 천이형 풀 브리지(phase shifted full bridge, PSFB) 컨버터인 병렬 운전형 풀 브리지 컨버터 구동 장치.
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