KR20160101808A - 풀브리지 dc-dc 컨버터 - Google Patents

풀브리지 dc-dc 컨버터 Download PDF

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KR20160101808A
KR20160101808A KR1020150024383A KR20150024383A KR20160101808A KR 20160101808 A KR20160101808 A KR 20160101808A KR 1020150024383 A KR1020150024383 A KR 1020150024383A KR 20150024383 A KR20150024383 A KR 20150024383A KR 20160101808 A KR20160101808 A KR 20160101808A
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정강률
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순천향대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 풀브리지 DC-DC 컨버터에 관한 것으로서, 공진인덕터와 스위칭소자의 기생커패시터를 공진요소로 이용하여 펄스폭변조(PWM; Pulse-Width Modulation) 위상시프트(PS; Phase Shift) 스위칭을 수행하는 1차측 회로와, 스위칭소자의 개폐동작에 따라 1차측의 전압을 2차측에 유도하는 변압기와, 유도된 전압을 동기정류하여 직류전압으로 변환하는 2차측 회로를 포함한다. 본 발명에 따르면, PWM PS 제어방식에 따른 소프트스위칭과 동기정류 기법을 이용하여 컨버터 1차측과 2차측의 손실을 각각 감소시킴으로써 고효율을 달성할 수 있다.

Description

풀브리지 DC-DC 컨버터{Full-Bridge DC-DC Converter}
본 발명은 DC-DC 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공진회로 기법과 동기정류 기법을 이용하여 고효율로 동작하는 풀브리지 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
산업현장에서 전기전자장치의 전원장치로 많이 이용되는 풀브리지(Full-Bridge) DC-DC 컨버터는 주로 단순 펄스폭변조(PWM; Pulse-Width Modulation) 방식이나 펄스폭변조 위상시프트(PWM PS; Pulse-Width Modulation Phase Shift) 방식을 이용하여 많이 제어된다. 단순 PWM 제어기법은 그 제어방식이 간단한 장점이 있긴 하지만, 컨버터의 스위칭소자가 하드스위칭으로 동작하므로 스위칭손실이 큰 단점을 가진다([1] 내지 [6]). 한편, PWM PS 제어기법은 공진인덕터와 스위칭소자의 기생커패시터를 공진요소로 이용하여 쉽게 영전압스위칭(ZVS; Zero Voltage Switching)의 소프트스위칭으로 동작함으로써 컨버터를 고효율로 동작시키는 장점을 가진다([7] 내지 [9]).
그런데, 풀브리지 DC-DC 컨버터는 그 구조상 변압기와 컨버터 2차측 정류기를 수반한다. 이 때 컨버터 2차측 정류기로는 주로 전력 쇼트키다이오드를 이용하는데, 이 다이오드의 턴온 전압강하가 약 0.8V 정도 되어 컨버터의 전체효율 저하의 주요한 원인이 된다. 그러므로 이러한 효율저하에 대한 대책이 필요하며, 그 대책이 바로 동기정류기이다. 동기정류기는 컨버터 2차측 정류기에 다이오드 대신에 금속산화반도체 전계효과트랜지스터(MOSFET; Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 이용하는 새로운 형태의 정류기이다. MOSFET은 통상적으로 턴온 전압강하가 약 0.05V 정도 밖에 되지 않으므로, MOSFET을 이용한 동기정류기를 이용할 경우 컨버터 전체효율의 향상에 상당한 도움이 된다([10]).
동기정류기를 구동하는 기법에는 크게 자기구동방식과 외부구동방식 등 두 가지가 있다. 외부구동방식은 MOSFET을 구동하기 위하여 외부에너지를 별도로 이용하기 때문에 구동전원이 많이 필요하고 구조도 복잡해지는 단점이 있다. 그러나 자기구동방식은 풀브리지 DC-DC 컨버터가 필수적으로 가지는 변압기의 구조를 응용하여 구동하기 때문에 구조가 간단하고 별도의 구동전원이 없이도 동기정류기를 구동할 수 있는 장점을 가진다([11] 및 [12]).
대한민국 등록특허공보 제10-0734715호(공고일 2007.07.02.)
[1] K. Wang, F. C. Lee, G. Hua, and D. Borojevic, "A Comparative Study of Switching Losses of IGBTs under Hard-switching, Zero-voltage -switching, and Zero-current-switching", IEEE PESC'94, Vol. 2, pp. 1196-1204, June 1994. [2] J. A. Sabate, V. Vlatkovic, R. B. Ridley, F. C. Lee, and B. H. Cho, "Design Considerations for High Power Full-Bridge Zero-Voltage-Switched PWM Converter", IEEE APEC'90, Vol. 1, pp. 275-284, June 1990. [3] G. Hua, C. S. Leu, Y. Jiang, and F. C. Lee, "Novel Zero-Voltage-Transition PWM DC-DC Converters", IEEE Trans. on Power Elec., Vol. 9, No. 2, pp. 55-61, March 1994. [4] G. Y. Jeong, "Effective Resonant DC Power Supply System using Simple Control and Drive Circuits", Journal of KIIT, Vol. 10, No. 2, pp 9-19, Feb. 2012. [5] D. H. Yoo and G. Y. Jeong, "Novel Ozone Generation Power Supply using a Topology of the PFC DC-DC Boost Converter and Single-phase Half-bridge Inverter", Journal of KIIT, Vol. 11, No. 7, pp 19-30, July 2013. [6] K. M. Cho, W. S. Oh, and H. Kim, "A High Efficient Digital Controllable Electronic Ballast for Electrodeless Fluorescent Lamps", Journal of KIIT, Vol. 10, No. 5, pp 29-39, July 2013. [7] B. Andreycak, "Phase Shifted, Zero Voltage Transition Design Considerations and the UC3875 PWM Controller", Unitrode Application Note, U-136A, 1999. [8] G. Hua, F. C. Lee, and M. M. Jovanovi┤, "An Improved Full-Bridge Zero-Voltage-Switched PWM Converter using a Saturable Inductor", IEEE Trans. on Power Elec., Vol. 8, No. 4, pp. 530- 534, Oct. 1993. [9] G. Y. Jeong, D. H. Yoo, and M. G. Kim, "Simple High-Efficiency Resonant Full-Bridge DC-DC Converter with the Unipolar Pulse-Width Modulation", Journal of KIIT, Vol. 11, No. 5, pp 9-18, May 2013. [10] C. Blake, D. Kinzer, and P. Wood, "Synchronous Rectifiers versus Schottky Diodes: a Comparison of the Losses of a Schottky Diode Rectifiers", IEEE APEC'94, Vol. 1, pp. 17-23, Feb. 1994. [11] S. S. Lee, S. W. Choi, and G. W. Moon, "High Efficiency Active Clamp Forward Converter with Synchronous Switch Controlled ZVS Operation", Jour. Power Elec., Vol. 6, No. 2, pp. 131-138, Apr. 2006. [12] A. Fernㅱndez, J. Sebastiㅱn, M. M. Hernando, P. J. Villegas, and J. Garcㅽa, "New Self-Driven Synchronous Rectification System for Converters with a Symmetrically Driven Transformer", IEEE Trans. on Ind. Appl., Vol. 41, No. 5, pp. 1307- 1315, Sep./Oct. 2005.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 1차측에서 공진회로와 PWM PS 제어방식에 따른 소프트스위칭을 수행하고, 2차측에서 자기구동방식의 동기정류를 수행하여 고효율로 동작할 수 있도록 하는 풀브리지 DC-DC 컨버터를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풀브리지 DC-DC 컨버터는, 공진인덕터와 스위칭소자의 기생커패시터를 공진요소로 이용하여 PWM PS 스위칭을 수행하는 1차측 회로; 상기 스위칭소자의 개폐동작에 따라 1차측의 전압을 2차측에 유도하는 변압기; 및 유도된 전압을 동기정류하여 직류전압으로 변환하는 2차측 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 풀브리지 DC-DC 컨버터에 따르면, PWM PS 제어방식에 따른 소프트스위칭과 동기정류 기법을 이용하여 컨버터 1차측과 2차측의 손실을 각각 감소시킴으로써 고효율로 동작할 수 있다.
특히, 컨버터 2차측에서 동기정류기의 구동을 위하여 자기구동 방식을 적용함으로써 회로구성 및 그 동작이 간단해지는 장점이 있다.
이에, 전통적인 풀브리지 DC-DC 컨버터에 대비하여 전체 부하영역에서의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 풀브리지 DC-DC 컨버터의 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 풀브리지 DC-DC 컨버터 주요 부분의 이론적 전압 및 전류 파형도이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명에 따른 풀브리지 DC-DC 컨버터의 각 모드(모드 1 내지 모드 6)별 회로상태를 나타내는 등가회로이다.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 풀브리지 DC-DC 컨버터 프로토타입의 주요 부분의 전압 및 전류 파형도이다.
도 11은 본 발명에 따른 풀브리지 DC-DC 컨버터 프로토타입의 출력부하의 변동에 따른 1차측 풀브리지의 전압 및 전류 파형도와, 2차측 동기정류기의 전압 및 전류 파형도이다.
도 12는 본 발명에 따른 풀브리지 DC-DC 컨버터와 전통적인 컨버터의 효율을 비교한 그래프이다.
본 발명에서는 공진회로 기법과 동기정류 기법를 이용한 새로운 형태의 고효율 풀브리지 DC-DC 컨버터를 개시한다. 본 발명의 풀브리지 DC-DC 컨버터는, 1차측에서 공진회로와 PWM PS 제어방식에 따라 소프트스위칭으로 동작하고, 2차측에서 구조가 간단한 자기구동방식의 동기정류기를 이용하여 고효율을 달성한다.
이하, 본 발명의 풀브리지 DC-DC 컨버터에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 풀브리지 DC-DC 컨버터의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 풀브리지 DC-DC 컨버터는, 공진인덕터와 스위칭소자의 기생커패시터를 공진요소로 이용하여 PWM PS 스위칭을 수행하는 1차측 회로(1)와, 스위칭소자의 개폐동작에 따라 1차측의 전압을 2차측에 유도하는 변압기(2)와, 유도된 전압을 동기정류하여 직류전압으로 변환하는 2차측 회로(3)를 포함한다.
1차측 회로(1)는, 풀브리지로 구성되어 입력전압을 교번적 스위칭으로 전달하는 제1스위치 내지 제4스위치(
Figure pat00001
,
Figure pat00002
,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
)와, 제1스위치 내지 제4스위치(
Figure pat00005
,
Figure pat00006
,
Figure pat00007
,
Figure pat00008
) 양단에 각각 병렬 연결된 역병렬 기생다이오드(
Figure pat00009
,
Figure pat00010
,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
)와, 제1스위치 내지 제4스위치(
Figure pat00013
,
Figure pat00014
,
Figure pat00015
,
Figure pat00016
) 양단에 각각 병렬 연결된 기생커패시터(
Figure pat00017
,
Figure pat00018
,
Figure pat00019
,
Figure pat00020
)와, 제1스위치(
Figure pat00021
)와 제3스위치(
Figure pat00022
)의 접점에 일단이 접속되고, 타단은 변압기(2)에 접속되는 클램프 커패시터(
Figure pat00023
)와, 제2스위치(
Figure pat00024
)와 제4스위치(
Figure pat00025
)의 접점에 일단이 접속되고, 타단은 변압기(2)에 접속되는 공진인덕터(
Figure pat00026
)를 포함한다.
2차측 회로(3)는, 변압기(2)에 일측이 연결되어 스위칭을 통해 전파 정류하는 제1동기정류기 스위치(
Figure pat00027
) 및 제2동기정류기 스위치(
Figure pat00028
)와, 제1동기정류기 스위치(
Figure pat00029
) 및 제2동기정류기 스위치(
Figure pat00030
) 양단에 각각 병렬 연결된 동기정류기 역병렬 기생다이오드(
Figure pat00031
,
Figure pat00032
)와, 제1동기정류기 스위치(
Figure pat00033
) 및 제2동기정류기 스위치(
Figure pat00034
) 양단에 각각 병렬 연결된 동기정류기 기생커패시터(
Figure pat00035
,
Figure pat00036
)와, 제1동기정류기 스위치(
Figure pat00037
) 및 제2동기정류기 스위치(
Figure pat00038
)의 타단에 일단이 연결된 출력필터인덕터(
Figure pat00039
)와, 출력필터인덕터(
Figure pat00040
)의 타단에 일단이 연결되고, 변압기(2)의 2차측 중성점에 타단이 연결된 출력커패시터(
Figure pat00041
)를 포함한다.
이와 같이 본 발명의 풀브리지 DC-DC 컨버터는, 변압기(2)를 중심으로 1차측 회로(1)와 2차측 회로(3)로 구분된다. 1차측 회로(1)는 제1스위치 내지 제4 스위치(
Figure pat00042
,
Figure pat00043
,
Figure pat00044
,
Figure pat00045
)의 풀브리지와 클램프 커패시터
Figure pat00046
및 공진인덕터
Figure pat00047
로 구성된다. 그리고 2차측 회로(3)는 제1동기정류기 스위치(
Figure pat00048
) 및 제2동기정류기 스위치(
Figure pat00049
)와 그 각 기생성분으로 구성된 동기정류기와 출력필터인덕터
Figure pat00050
및 출력커패시터
Figure pat00051
로 구성되며 출력부하단에 부하저항
Figure pat00052
이 접속된 구조이다.
그러면, 여기서 상기와 같이 구성된 본 발명의 풀브리지 DC-DC 컨버터의 동작에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 풀브리지 DC-DC 컨버터의 주요 부분의 이론적 전압 및 전류 파형도이고, 도 3 내지 도 8은 본 발명에 따른 풀브리지 DC-DC 컨버터의 각 모드(모드 1 내지 모드 6)별 회로상태를 나타내는 등가회로이다.
도 2에 있어, 파형도의 가로
Figure pat00053
축은 시간축을 나타내고, 세로축의
Figure pat00054
~
Figure pat00055
는 제1스위치 내지 제4스위치(
Figure pat00056
,
Figure pat00057
,
Figure pat00058
,
Figure pat00059
)의 게이트-소스 구동신호를 나타내며, 세로축의
Figure pat00060
는 풀브리지의 A-B점 간의 양단전압을 나타내고, 나머지 세로축의 각 레이블은 도 1의 회로도에서 나타낸 각 해당 부분의 전압 또는 전류이다. 한편, 도 3 내지 도 8에 있어, 굵은 선은 전류가 흐르는 부분을 나타낸 것이다.
그리고, 해석에 앞서 모드별 해석의 편의를 위해 아래와 같은 일반적이고 타당한 가정을 한다.
■ 변압기는 자화인덕턴스
Figure pat00061
을 가지며 그 권선비가
Figure pat00062
인 센터탭 형태의 이상적인 변압기이다(
Figure pat00063
).
■ 각 스위치는 기생커패시턴스와 기생다이오드를 제외하고는 이상적이다.
■ 출력커패시턴스
Figure pat00064
는 매우 크다.
그리고 다음의 각 모드별 해석에서 각 수식의 전압 또는 전류는 도 3 내지 도 8의 각 모드 등가회로의 해당 부분의 전압 또는 전류를 나타내며, 커패시터 또는 인덕터 등의 회로 파라미터는 각 모드 등가회로의 해당 회로 파라미터를 나타낸다.
모드 1(
Figure pat00065
): 도 3을 참조하면, 이 모드에서는 전력이 제1스위치
Figure pat00066
과 제2스위치
Figure pat00067
를 통하여 입력측에서 출력측으로 전달된다. 시간
Figure pat00068
에서 변압기의 2차측 전압이 생성되면서 제1동기정류기 스위치
Figure pat00069
은 턴온되어 도통하고, 제2동기정류기 스위치
Figure pat00070
와 그 제2동기정류기 스위치
Figure pat00071
의 역병렬 기생다이오드
Figure pat00072
는 완전히 턴오프된다. 이 때 제1동기정류기 스위치
Figure pat00073
은 모드 6에서 이미 그 제1동기정류기 스위치
Figure pat00074
의 역병렬 기생다이오드
Figure pat00075
이 턴온되어 있는 상태에서 턴온되므로 ZVS로 턴온된다. 그러면 2차측 전압인 출력전압
Figure pat00076
와 출력필터인덕터 전압
Figure pat00077
의 합
Figure pat00078
가 1차측으로 반영된다. 따라서 1차측 전류
Figure pat00079
는 다음과 같이 선형적으로 증가한다.
Figure pat00080
--- 식 (1)
여기서
Figure pat00081
이므로
Figure pat00082
로 근사화한다. 이 때 클램프 커패시터 전압
Figure pat00083
는 1차측 전류
Figure pat00084
에 의해 다음과 같이 충전된다.
Figure pat00085
--- 식 (2)
제2스위치
Figure pat00086
가 턴오프될 때 모드 1은 종료된다. 도 2에서 모드 1 부분의
Figure pat00087
는 유효 턴온듀티이다.
모드 2(
Figure pat00088
): 도 4를 참조하면, 이 모드에서는 모드 1 기간 동안 공진인덕턴스
Figure pat00089
에 저장된 에너지가 2차측 제1동기정류기 스위치
Figure pat00090
의 역병렬 기생다이오드
Figure pat00091
을 통하여 출력단으로 방전된다.
이 때 제1동기정류기 스위치
Figure pat00092
은 턴오프되고 제1동기정류기 스위치
Figure pat00093
의 역병렬 기생다이오드
Figure pat00094
은 ZVS로 턴온한다. 이 모드에서 1차측 전류
Figure pat00095
는 제2스위치
Figure pat00096
의 기생커패시턴스
Figure pat00097
를 충전하고 제4스위치
Figure pat00098
의 기생커패시턴스
Figure pat00099
를 방전하여 제4스위치
Figure pat00100
가 ZVS 턴온할 수 있게 한다. 변압기 1차측 전압은
Figure pat00101
Figure pat00102
로 클램프되고 1차측 전류
Figure pat00103
는 다음과 같이 선형적으로 감소한다.
Figure pat00104
--- 식 (3)
제1스위치
Figure pat00105
이 턴오프되면 모드 2는 종료된다.
모드 3(
Figure pat00106
): 도 5를 참조하면, 시간
Figure pat00107
에서 제1스위치
Figure pat00108
이 턴오프 된다. 그러면 1차측 전류
Figure pat00109
는 제3스위치
Figure pat00110
의 기생커패시턴스
Figure pat00111
을 방전하면서 이 모드 중간에 그 방향이 역으로 전환되어 흐르게 되며 다음의 식과 같이 된다.
Figure pat00112
--- 식 (4)
그러면 이 때 2차측 제1동기정류기 스위치
Figure pat00113
과 제2동기정류기 스위치
Figure pat00114
의 역병렬 기생다이오드
Figure pat00115
과 역병렬 기생다이오드
Figure pat00116
를 통하여 흐르는 전류
Figure pat00117
과
Figure pat00118
는 급격하게 커뮤테이션(commutation)하며, 시간
Figure pat00119
에서 2차측 전류의 커뮤테이션이 완료되면 모드 3은 종료된다.
이 후 모드 4가 시작된다. 그런데 모드 4 내지 모드 6에서의 동작은 도 6 내지 도 8과 같으며, 도 3 내지 도 5에서 보듯이, 모드 1 내지 모드 3에서 동작하는 전력반도체스위치들의 풀브리지 상의 반대편 스위치가 모드 1 내지 모드 3과 같은 방식으로 동작하므로, 모드 4 내지 모드 6의 각 모드의 1차측 전류 방향이 모드 1 내지 모드 3의 방향과 대칭적으로 반대로 되는 것을 제외하고는 이전 모드와 동일하다. 또한 모드 4 내지 모드 6에서 컨버터 2차측의 동작도 변압기의 센터탭 아랫부분 권선과 해당 제2동기정류기 스위치
Figure pat00120
부분이 모드 1 내지 모드 3과 같은 방식으로 대칭적으로 동작한다. 그러므로 설명의 편의상 모드 4 내지 모드 6의 설명은 생략하기로 한다.
모드 6의 끝에서 한 스위칭주기가 끝나면, 모드 1부터 다시 반복 동작한다.
프로토타입의 설계예
본 발명의 풀브리지 DC-DC 컨버터의 성능 입증을 위해 표 1과 같은 사양으로 컨버터 프로토타입의 주요 회로 파라미터를 아래와 같이 설계한다.
항 목 수 치
입력 직류전압
Figure pat00121
V
출력 직류전압
Figure pat00122
V
최대 출력전력
Figure pat00123
W
풀브리지전압 주파수
Figure pat00124
kHz
공칭 설계 유효듀티비
Figure pat00125
프로토타입 컨버터 변압기의 권선비
Figure pat00126
은 컨버터의 구조와 동작으로부터 다음의 식에 의해 계산된다.
Figure pat00127
--- 식 (5)
여기서
Figure pat00128
는 표 1의 공칭 설계 유효듀티비
Figure pat00129
으로 두어 계산한다(
Figure pat00130
). 그러면 표 1로부터 권선비는
Figure pat00131
로 계산된다. 그리고 동기정류기 MOSFET의 게이트의 구동전압 인가를 위한 동기정류기 게이트권선의 권선수
Figure pat00132
(
Figure pat00133
)은 다음 식에 의해 간단하게 계산된다.
Figure pat00134
--- 식 (6)
여기서
Figure pat00135
은 동기정류기 스위치의 턴온 게이트전압이고 1차측 권선수
Figure pat00136
는 식 (5)로 계산된 값을 이용한다.
클램프 커패시턴스
Figure pat00137
는 모드 1 또는 모드 3의 클램프 커패시턴스의 최대 전압
Figure pat00138
로부터 계산할 수 있다.
Figure pat00139
와 클램프 커패시턴스
Figure pat00140
는 식 (2)에 의한 클램프 커패시턴스의 리플전압으로부터 다음과 같이 각각 계산된다.
Figure pat00141
--- 식 (7)
Figure pat00142
--- 식 (8)
여기서
Figure pat00143
는 최대 출력부하(
Figure pat00144
)일 때의 부하전류이다. 그런데
Figure pat00145
는 도 2와 식 (1)로부터 1차측 전류
Figure pat00146
의 기울기가 양(+)이 되려면, 다음의 관계를 만족하여야 한다.
Figure pat00147
--- 식 (9)
그러므로 클램프 커패시턴스
Figure pat00148
는 식 (8)과 식 (9)로부터 다음의 식에 의해 계산된다.
Figure pat00149
--- 식 (10)
이 때
Figure pat00150
는 식 (9)와 설계의 편의성을 고려하여
Figure pat00151
값의 약 10% 정도인
Figure pat00152
로 두어 계산했는데, 이것은 출력전압의 10% 값이다. 이렇게 하여 클램프 커패시턴스는 상용커패시터 값으로 이용할 수 있는
Figure pat00153
으로 선정된다.
통상적으로 풀브리지 컨버터의 ZVS가 원활히 잘 이루어지려면, 지상레그의 턴오프 조건에서 지상레그(
Figure pat00154
-
Figure pat00155
)가 다음과 같은 조건을 만족하여 ZVS 방식으로 동작하여야 한다.
Figure pat00156
--- 식 (11)
여기서 좌변은 모드 1에서 지상레그가 턴오프할 때 공진인덕턴스에 저장되는 에너지이고,
Figure pat00157
는 다음의 식과 같이 근사적으로 계산한다.
Figure pat00158
--- 식 (12)
여기서
Figure pat00159
으로 두며
Figure pat00160
는 유효 턴온듀티로 모드 1 시간의 근사치이다. 그리고 식 (11)의 우변은 MOSFET의 비선형 기생커패시턴스
Figure pat00161
에 저장된 에너지의 두 배를 나타내는 것으로 이것은 설계마진을 고려한 것이다. 따라서 식 (11)과 식 (12)로부터 공진인덕턴스
Figure pat00162
은 다음의 식에 의해 계산된다.
Figure pat00163
--- 식 (13)
여기서 식 (12)의
Figure pat00164
는
Figure pat00165
보다 매우 작은 값으로 변동하기 때문에 설계의 편의상 무시하여 적용하며, 주스위치의 기생커패시턴스
Figure pat00166
는 설계사양을 따라 채택된 주스위치의 기생커패시턴스
Figure pat00167
으로 계산하고,
Figure pat00168
으로 두어 계산한다. 도 1에서는 공진인덕턴스
Figure pat00169
을 1차측 회로에 포함시키는 경우에 대해 설명하고 있으나, 계산된 공진인덕턴스
Figure pat00170
의 값이 얼마 크지 않으므로, 공진인덕턴스
Figure pat00171
은 변압기의 권선 시 변압기코어 내에 공극(air-gap)을 삽입하여 누설인덕턴스를 구현하여 사용할 수 있다. 그러면 공진인덕턴스가 변압기 내부에 포함되게 되므로 본 발명의 풀브리지 DC-DC 컨버터는 더욱 간략화 된다. 즉, 공진인덕턴스
Figure pat00172
은 변압기의 1차측에 접속되고, 풀브리지 레그의 한쪽단에 별도의 인덕터로 접속될 수도 있고, 변압기의 누설인덕턴스로도 구현할 수도 있다. 본 프로토타입에서는 변압기의 누설인덕턴스가
Figure pat00173
가 되었으며, 이 때 변압기의 자화인덕턴스는
Figure pat00174
로 측정되었다.
실험 결과
본 발명의 풀브리지 DC-DC 컨버터의 성능 입증을 위하여 프로토타입을 제작하고 실험하였다. 프로토타입의 제어에는 PWM PS 드라이브 전용 IC를 이용하였고, 컨버터 1차측의 풀브리지 전력회로의 구동에는 부트스래핑 방식을 이용하여 MOSFET 구동회로를 간략화하였다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 풀브리지 DC-DC 컨버터 프로토타입의 주요 부분의 전압, 전류 실험파형을 보인다. 각 파형의 모양이 대체로 도 2의 이론적인 전압 및 전류의 파형도와 일치하는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 본 발명의 풀브리지 DC-DC 컨버터에 대한 해석이 타당하며 그에 근거하여 제시된 설계예도 타당한 것임을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 풀브리지 DC-DC 컨버터 프로토타입의 출력부하의 변동에 따른 1차측 풀브리지의 전압, 전류 파형과 2차측 동기정류기의 전압, 전류 실험파형을 나타낸 것이다. 이 때 출력부하는 정격부하의 50%에서 100%로 변동하였으며, 응답성은 약 0.1ms 이내로 빠른 특성을 보인다.
그러므로 도 9 및 도 10으로부터는 1차측 전압과 전류가 소프트스위칭으로 잘 동작하고 있음을 확인할 수 있으며, 도 11로부터는 본 발명의 풀브리지 DC-DC 컨버터가 광범위한 출력부하 범위에서 출력전압의 제어가 양호하게 동작하며 적절한 응답성을 가짐을 알 수 있다.
도 12는 출력전력에 따른 전통적인 컨버터와 본 발명의 풀브리지 DC-DC 컨버터의 효율을 비교한 그래프이다. 이로부터 본 발명의 풀브리지 DC-DC 컨버터는 다양한 부하의 전영역에서 전통적인 컨버터에 비해서 고르게 약 4% 정도의 효율이 향상되었음을 알 수 있다.
이상에서의 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.
1 : 1차측 회로
2 : 변압기
3 : 2차측 회로

Claims (4)

  1. 공진인덕터와 스위칭소자의 기생커패시터를 공진요소로 이용하여 펄스폭변조(PWM; Pulse-Width Modulation) 위상시프트(PS; Phase Shift) 스위칭을 수행하는 1차측 회로;
    상기 스위칭소자의 개폐동작에 따라 1차측의 전압을 2차측에 유도하는 변압기; 및
    유도된 전압을 동기정류하여 직류전압으로 변환하는 2차측 회로를 포함하는 풀브리지 DC-DC 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 1차측 회로는,
    풀브리지로 구성되어 입력전압을 교번적 스위칭으로 전달하는 제1스위치 내지 제4스위치(
    Figure pat00175
    ,
    Figure pat00176
    ,
    Figure pat00177
    ,
    Figure pat00178
    );
    상기 제1스위치 내지 제4스위치(
    Figure pat00179
    ,
    Figure pat00180
    ,
    Figure pat00181
    ,
    Figure pat00182
    ) 양단에 각각 병렬 연결된 역병렬 기생다이오드(
    Figure pat00183
    ,
    Figure pat00184
    ,
    Figure pat00185
    ,
    Figure pat00186
    );
    상기 제1스위치 내지 제4스위치(
    Figure pat00187
    ,
    Figure pat00188
    ,
    Figure pat00189
    ,
    Figure pat00190
    ) 양단에 각각 병렬 연결된 기생커패시터(
    Figure pat00191
    ,
    Figure pat00192
    ,
    Figure pat00193
    ,
    Figure pat00194
    );
    상기 제1스위치(
    Figure pat00195
    )와 상기 제3스위치(
    Figure pat00196
    )의 접점에 일단이 접속되고, 타단은 상기 변압기에 접속되는 클램프 커패시터(
    Figure pat00197
    ); 및
    상기 제2스위치(
    Figure pat00198
    )와 상기 제4스위치(
    Figure pat00199
    )의 접점에 일단이 접속되고, 타단은 상기 변압기에 접속되는 공진인덕터(
    Figure pat00200
    )를 포함하는 풀브리지 DC-DC 컨버터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공진인덕터(
    Figure pat00201
    )가 상기 변압기의 1차측에 접속되고, 풀브리지 레그의 한쪽단에 별도의 인덕터로 접속되거나, 변압기 내부에 누설인덕턴스로 구현되는 풀브리지 DC-DC 컨버터.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차측 회로는,
    상기 변압기에 일측이 연결되어 스위칭을 통해 전파 정류하는 제1동기정류기 스위치(
    Figure pat00202
    ) 및 제2동기정류기 스위치(
    Figure pat00203
    );
    상기 제1동기정류기 스위치(
    Figure pat00204
    ) 및 제2동기정류기 스위치(
    Figure pat00205
    ) 양단에 각각 병렬 연결된 동기정류기 역병렬 기생다이오드(
    Figure pat00206
    ,
    Figure pat00207
    );
    상기 제1동기정류기 스위치() 및 제2동기정류기 스위치(
    Figure pat00209
    ) 양단에 각각 병렬 연결된 동기정류기 기생커패시터(
    Figure pat00210
    ,
    Figure pat00211
    );
    상기 제1동기정류기 스위치(
    Figure pat00212
    ) 및 제2동기정류기 스위치(
    Figure pat00213
    )의 타단에 일단이 연결된 출력필터인덕터(
    Figure pat00214
    ); 및
    상기 출력필터인덕터(
    Figure pat00215
    )의 타단에 일단이 연결되고, 상기 변압기의 2차측 중성점에 타단이 연결된 출력커패시터(
    Figure pat00216
    )를 포함하는 풀브리지 DC-DC 컨버터.
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