KR20160140308A - 하이브리드 컨버터 및 그 구동방법 - Google Patents

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Abstract

입력 전원을 공급받고 제1 스위치 내지 제4 스위치가 마련된 제1 레그 및 제2 레그를 포함하는 풀브리지 회로, 상기 풀브리지 회로를 통해 전달되는 입력 전압을 변환하는 제1 변압기, 상기 제1 변압기를 통해 변환된 상기 입력 전압을 전달받아 정류하는 복수의 다이오드, 프리휠링을 수행하기 위한 순환 다이오드 및 출력 인덕터, 상기 복수의 다이오드와 상기 순환 다이오드 및 출력 인덕터 사이에 마련되는 지연 스위치를 포함하는 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터; 및 상기 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터와 상기 제2 레그를 공유하는 하프브리지 회로, 상기 하프브리지 회로를 통해 전달되는 입력 전압을 변환하는 제2 변압기, 상기 제2 변압기를 통해 변환된 상기 입력 전압을 전달받아 정류하는 복수의 다이오드를 포함하는 공진형 하프브리지 컨버터를 포함하는 하이브리드 컨버터가 개시된다.

Description

하이브리드 컨버터 및 그 구동방법{HYBRID CONVERTER AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 하이브리드 컨버터 및 그 구동방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터와 공진형 하프브리지 컨버터가 결합된 하이브리드 컨버터 및 그 구동방법에 관한 것이다.
화석연료의 고갈 및 환경 문제에 대한 관심이 높아짐에 따라 전 세계적으로 충전식 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차가 각광받고 있다. 이에 따라, 국내외 자동차 제조 업체에서는 충전식 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 아울러, 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차의 핵심 부품인 배터리팩을 충전시키기 위한 충전기와 관련하여 많은 관심과 연구가 집중되고 있다.
현재까지는, 3.3kW 의 용량을 갖는 차량 탑재형 충전기가 가장 널리 사용되고 있으며, 이는 PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 안의 리튬 배터리를 완충하는 데 4~6시간이 소요된다.
한편, 배터리의 고속 충전이 요구됨에 따라 용량이 증대된 충전기의 개발이 지속적으로 이루어졌으며, 그 결과, 6.6kW의 용량을 갖는 충전기가 출시되었고, 향후 충전기의 용량은 10kW까지 증대될 것으로 예측된다. 여기서, 용량이 증대된 충전기를 구현하기 위해서는, 고출력/고효율의 DC-DC 컨버터가 필수적이다.
이러한, 고출력/고효율의 DC-DC 컨버터로는, 예를 들어, 위상천이 방식의 풀브리지 컨버터(PSFB)가 있다. 위상천이 방식의 풀브리지 컨버터(PSFB)는 1차측 회로에 포함되는 스위칭 소자들의 턴온 시 소프트 스위칭이 가능하여 고효율을 달성할 수 있다. 그러나, 위상천이 방식의 풀브리지 컨버터(PSFB)는 스위칭 소자들의 소프트 스위칭에 따른 턴온 범위가 제한적이고, 2차측 회로의 환류에 따라 1차측 회로에서 발생하는 순환 전류로 인한 손실이 발생할 수 있으며, 스위칭 소자들의 턴오프 시에는 소프트 스위칭이 불가능하다는 문제점이 있다.
또 다른 방식의, 고출력/고효율의 DC-DC 컨버터로는 공진형 컨버터가 있다. 공진형 컨버터는 공진 주파수에서 동작하는 경우, 스위칭 소자들의 손실이 발생하지 않으며 소프트 스위칭이 가능하므로, 고효율을 달성할 수 있다. 그러나, 입/출력 전압의 변화가 요구되는 경우 스위칭 주파수를 변화시켜야 하며, 이와 같은 경우에는 소프트 스위칭이 불가능해짐에 따라 효율이 감소한다는 문제점이 있다.
또한, 상술한 위상천이 방식의 풀브리지 컨버터(PSFB)와 공진형 컨버터를 결합한 하이브리드 컨버터가 제안되었다. 이와 같은 컨버터는 넓은 구간에서 스위칭 소자들의 소프트 스위칭을 달성하였으나, 이차측 회로의 환류에 따라 일차측 회로에서 발생하는 순환 전류로 인한 손실이 여전히 존재한다.
이에 따라, 상술한 컨버터들의 단점을 극복할 수 있으며, 고출력/고효율을 달성할 수 있는 새로운 방식의 컨버터의 개발이 필요하다.
본 발명의 일측면은 하이브리드 컨버터 및 그 구동방법에 관한 것으로, 위상천이 방식의 풀브리지 컨버터의 2차측 회로에 프리휠링을 위한 스위치 및 다이오드를 추가한 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터와, 고효율을 갖는 공진형 하프브리지 컨버터를 결합하여 전 부하구간에서의 소프트 스위칭을 보장하고, 순환 전류를 제거할 수 있으며, 두 컨버터의 출력을 직렬로 연결하여 높은 출력 전압을 출력할 수 있는 하이브리드 컨버터 및 그 구동방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면은 하이브리드 컨버터에 관한 것으로, 입력 전원을 공급받고 제1 스위치 내지 제4 스위치가 마련된 제1 레그 및 제2 레그를 포함하는 풀브리지 회로, 상기 풀브리지 회로를 통해 전달되는 입력 전압을 변환하는 제1 변압기, 상기 제1 변압기를 통해 변환된 상기 입력 전압을 전달받아 정류하는 복수의 다이오드, 프리휠링을 수행하기 위한 순환 다이오드 및 출력 인덕터, 상기 복수의 다이오드와 상기 순환 다이오드 및 출력 인덕터 사이에 마련되는 지연 스위치를 포함하는 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터; 및 상기 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터와 상기 제2 레그를 공유하는 하프브리지 회로, 상기 하프브리지 회로를 통해 전달되는 입력 전압을 변환하는 제2 변압기, 상기 제2 변압기를 통해 변환된 상기 입력 전압을 전달받아 정류하는 복수의 다이오드를 포함하는 공진형 하프브리지 컨버터를 포함한다.
한편, 상기 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터는, 상기 출력 인덕터 및 상기 순환 다이오드와 연결되는 제1 출력 커패시터를 포함하고, 상기 공진형 하프브리지 컨버터는, 상기 복수의 다이오드와 연결되는 제2 출력 커패시터를 포함하며, 상기 제1 출력 커패시터와 상기 제2 출력 커패시터는 직렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터는, 병렬로 연결된 제1 레그 및 제2 레그를 포함하고, 상기 제1 레그 상에는 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 마련되고, 상기 제2 레그 상에는 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치가 마련되며, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는 소정의 데드 타임을 가지며 대칭적으로 동작하고, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치는 소정의 데드 타임을 가지며 대칭적으로 동작할 수 있다.
또한, 상기 공진형 하프브리지 컨버터는, 상기 제2 레그와 연결되는 제2 입력 전압선을 더 포함하고, 상기 제2 입력 전압선 상에는 공진 커패시터가 마련될 수 있다.
또한, 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치는, 각각 기생 커패시터와 바디 다이오드가 병렬로 연결되어 부가될 수 있다.
또한, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치는, 고정된 주파수에 따라 스위칭 동작할 수 있다.
또한, 상기 지연 스위치는, 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치가 모두 턴온 상태이거나, 상기 제2스위치와 상기 제3 스위치가 모두 턴온 상태인 경우 턴온될 수 있다.
또한, 상기 지연 스위치는, 기생 커패시터와 바디 다이오드가 병렬로 연결되어 부가될 수 있다.
또한, 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치는, 영전압 스위칭에 의해 턴온 동작하고, 영전류 스위칭에 의해 턴오프 동작할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면은, 입력 전원을 공급받고 제1 스위치 내지 제4 스위치가 마련된 제1 레그 및 제2 레그를 포함하는 풀브리지 회로, 상기 풀브리지 회로를 통해 전달되는 입력 전압을 변환하는 제1 변압기, 상기 제1 변압기를 통해 변환된 상기 입력 전압을 전달받아 정류하는 복수의 다이오드, 프리휠링을 수행하기 위한 순환 다이오드 및 출력 인덕터, 상기 복수의 다이오드와 상기 순환 다이오드 및 출력 인덕터 사이에 마련되는 지연 스위치, 상기 순환 다이오드 및 상기 출력 인덕터와 연결되는 제1 출력 커패시터를 포함하는 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터; 및 상기 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터와 상기 제2 레그를 공유하는 하프브리지 회로, 상기 하프브리지 회로를 통해 전달되는 입력 전압을 변환하는 제2 변압기, 상기 제2 변압기를 통해 변환된 상기 입력 전압을 전달받아 정류하는 복수의 다이오드, 및 상기 복수의 다이오드와 연결되는 제2 출력 커패시터를 포함하는 공진형 하프브리지 컨버터를 포함하는 하이브리드 컨버터의 구동방법에 있어서, 상기 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터는, 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치의 스위칭 동작에 따라 상기 입력 전압을 상기 제1 변압기로 전달하여 상기 제1 변압기를 작동시키며, 상기 지연 스위치의 턴온 또는 턴오프에 따라 상기 제1 변압기를 통해 변환된 상기 입력 전압을 상기 지연 스위치를 통해 상기 제1 출력 커패시터로 공급하거나, 상기 순환 다이오드, 상기 출력 인덕터 및 상기 제1 출력 커패시터의 폐회로를 형성하여 상기 출력 인덕터에 저장된 전원을 상기 제1 출력 커패시터로 공급하고, 상기 공진형 하프브리지 컨버터는, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치의 스위칭 동작에 따라 상기 제2 변압기를 통해 상기 입력 전압을 상기 제2 출력 커패시터로 공급한다.
한편, 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치의 스위칭 동작에 따라 상기 입력 전압을 상기 제1 변압기로 전달하여 상기 제1 변압기를 작동시키는 것은, 상기 제1 레그의 상측에 마련된 상기 제1 스위치와 상기 제2 레그의 하측에 마련된 상기 제4 스위치가 모두 턴온 상태이거나, 상기 제1 레그의 하측에 마련된 제2스위치와 상기 제2 레그의 상측에 마련된 상기 제3 스위치가 모두 턴온 상태인 경우, 상기 입력 전압을 상기 제1 변압기로 전달하여 상기 제1 변압기를 작동시키는 것일 수 있다.
또한, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치는, 고정된 주파수에 따라 스위칭 동작할 수 있다.
또한, 상기 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터는, 유효 듀티를 변화시켜 상기 제1 출력 커패시터로부터 출력되는 제1 출력 전압을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치는, 영전압 스위칭에 의해 턴온 동작하고, 영전류 스위칭에 의해 턴오프 동작할 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 2차측 회로에 프리휠링을 위한 스위치 및 다이오드가 포함된 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터에 의해 프리휠링 구간에서 1차측 회로에서 발생하는 순환 전류를 제거하고, 공진형 하프브리지 컨버터에 의해 전 부하 구간에서 스위칭 소자들의 소프트 스위칭을 달성할 수 있으며, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터와 공진형 하프브리지 컨버터의 출력을 직렬로 연결하여 보다 높은 전압이득을 달성할 수 있으므로, 고출력/고효율의 특징을 가져 대용량 충전기에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터의 개략적인 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터의 소자에 흐르는 전류 또는 소자에 걸리는 전압에 대한 그래프이다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터의 동작모드를 설명하기 위한 개략적인 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터에 포함되는 공진형 하프브리지 컨버터의 출력 전압과 변압기 턴비의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터를 이용한 배터리 충전 방법 및 영전압 스위칭 조건을 만족시키기 위한 조건을 설명하기 위한 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터의 개략적인 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터는 입력 커패시터(200)와 배터리(300)사이에서 전압 변환을 수행하며, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)와 공진형 하프브리지 컨버터(120)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터는, 일예로, 차량 탑재형 충전기에 포함되는 DC-DC 컨버터로서, 380V 내지 400V의 입력 전압을 200V 내지 420V의 출력 전압으로 변환하여 배터리(300)를 충전시킬 수 있다.
이때, 입력 커패시터(200)는 차량 탑재형 충전기에 포함되는 AC-DC 컨버터의 출력단으로서, 380V 내지 400V의 직류 전압으로 변환된 120V 내지 240V의 상용 교류 전압을 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터로 공급할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터는 입력 커패시터(200)와 배터리(300)사이에서 전압 변환을 수행하여 배터리(300)를 충전시킬 수 있으며, 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터에 포함되는 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)는 위상천이 방식의 풀브리지 컨버터의 2차측 회로에 프리휠링을 위한 지연 스위치(S5) 및 순환 다이오드(D9)를 추가한 컨버터로서, 프리휠링 구간에서 1차측 회로에서 발생하는 순환 전류를 제거할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터는 상술한 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)와 공진형 하프브리지 컨버터(120)를 결합하여, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)에 의해 순환 전류를 제거할 수 있으며, 공진형 하프브리지 컨버터(120)에 의해 스위칭 소자들의 소프트 스위칭을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터는 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 출력과 공진형 하프브리지 컨버터(120)의 출력을 직렬로 연결하여 보다 높은 전압 이득을 달성할 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터의 출력 전압은 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 유효 듀티를 변화시켜 제어할 수 있으므로, 공진 주파수에 따라 동작하는 경우, 공진형 하프브리지 컨버터(120)에 의해 전 부하 구간에서 스위칭 소자들의 소프트 스위칭을 달성할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터에 포함되는 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)와 공진형 하프브리지 컨버터(120)에 대하여 구체적으로 설명한다.
소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)는 제1 변압기(119)를 중심으로 1차측 회로와 2차측 회로가 전기적으로 절연된 절연형 컨버터로서, 1차측 회로는 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)가 마련된 풀브리지 회로를 포함할 수 있으며, 2차측 회로는 제1 다이오드(D1) 내지 제4 다이오드(D4)가 마련된 정류 회로, 지연 스위치(S5), 순환 다이오드(D9), 출력 인덕터(117) 및 제1 출력 커패시터(118)를 포함할 수 있다.
구체적으로는, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 1차측 회로에 포함되는 풀브리지 회로는 병렬로 연결된 제1 레그(110-1)와 제2 레그(110-2) 및 제1 레그(110-1)와 제2 레그(110-2)를 연결하는 제1 입력 전압선(110-5)을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 제1 레그(110-1)와 제2 레그(110-2)의 상측(high side) 접점(c) 및 제1 레그(110-1)와 제2 레그(110-2)의 하측(low side) 접점(d)이 각각 입력 커패시터(200)의 양단과 연결될 수 있다.
또한, 제1 레그(110-1)의 상측(high side)에는 제1 스위치(S1)가 마련되고, 제1 레그(110-1)의 하측(low side)에는 제2 스위치(S2)가 마련될 수 있으며, 제2 레그(110-2)의 상측(high side)에는 제3 스위치(S3)가 마련되고, 제2 레그(110-2)의 하측(low side)에는 제4 스위치(S4)가 마련될 수 있다.
또한, 제1 입력 전압선(110-5)은 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 사이의 제1 노드(a)와 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4) 사이의 제2 노드(b)를 연결할 수 있으며, 제1 입력 전압선(110-5) 상에는 제1 누설 인덕터(113) 및 제1 변압기(119)의 1차측 권선(119-1)이 마련될 수 있다.
여기서, 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)로는 BJT, JFET, MOSFET, MOS 트랜지스터 등이 사용될 수 있으며, 주로, MOS 트랜지스터가 가장 많이 사용될 수 있다. 따라서, 이하의 설명에서는 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)가 MOS 트랜지스터로 마련된 것을 예로 들어 설명한다.
또한, 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)에는 각각 바디 다이오드와 기생 커패시터가 병렬로 연결되어 부가될 수 있다. 일예로, 제1 스위치(S1)의 드레인 단자는 바디 다이오드의 캐소드 및 기생 커패시터의 일단과 병렬 연결되고, 제1 스위치(S1)의 소스 단자는 바디 다이오드의 애노드 및 기생 커패시터의 타단과 병렬로 연결될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 제2 스위치(S2) 내지 제4 스위치(S4) 또한 바디 다이오드와 기생 커패시터가 병렬로 연결되어 부가될 수 있다.
또한, 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)가 연결된 상태를 구체적으로 설명하면, 먼저, 제1 레그(110-1)에서는, 제1 스위치(S1)의 드레인 단자는 제1 레그(110-1)와 제2 레그(110-2)의 상측(high side) 접점(c)에 연결되고, 제1 스위치(S1)의 소스 단자는 제2 스위치(S2)의 드레인 단자와 연결될 수 있으며, 제2 스위치(S2)의 소스 단자는 제1 레그(110-1)와 제2 레그(110-2)의 하측(low side) 접점(d)에 연결될 수 있다. 제2 레그(110-2)에서는, 제3 스위치(S3)의 드레인 단자는 제1 레그(110-1)와 제2 레그(110-2)의 상측(high side) 접점(c)에 연결되고, 제3 스위치(S3)의 소스 단자는 제4 스위치(S4)의 드레인 단자와 연결될 수 있으며, 제4 스위치(S4)의 소스 단자는 제1 레그(110-1)와 제2 레그(110-2)의 하측(low side) 접점(d)에 연결될 수 있다.
이에 따라, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 1차측 회로는 입력 커패시터(200)와 연결되는 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)를 포함하여, 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)의 스위칭 동작에 따라 입력 커패시터(200)로부터 공급되는 입력 전압(Vs)을 제1 변압기(119)를 통해 2차측 회로로 전달할 수 있다.
한편, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 2차측 회로에 포함되는 정류 회로는 병렬로 연결된 제3 레그(110-3)와 제4 레그(110-4) 및 제3 레그(110-3)와 제4 레그(110-4)를 연결하는 제1 출력 전압선(110-6)을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 제3 레그(110-3)와 제4 레그(110-4)의 상측(high side) 접점(g)는 지연 스위치(S5)와 연결되고, 제3 레그(110-3)와 제4 레그(110-4)의 하측(low side) 접점(h)는 순환 다이오드(D9)와 연결될 수 있다.
또한, 제3 레그(110-3)의 상측(high side)에는 제1 다이오드(D1)가 마련되고, 제3 레그(110-3)의 하측(low side)에는 제3 다이오드(D3)가 마련될 수 있으며, 제4 레그(110-4)의 상측(high side)에는 제2 다이오드(D2)가 마련되고, 제4 레그(110-4)의 하측(low side)에는 제4 다이오드(D4)가 마련될 수 있다.
제1 다이오드(D1) 내지 제4 다이오드(D4)가 연결된 상태를 구체적으로 설명하면, 먼저, 제3 레그(110-3)에서는, 제1 다이오드(D1)의 캐소드는 제3 레그(110-3)와 제4 레그(110-4)의 상측(high side) 접점(g)에 연결되고, 제1 다이오드(D1)의 애노드는 제3 다이오드(D3)의 캐소드와 연결될 수 있으며, 제3 다이오드(D3)의 애노드는 제3 레그(110-3)와 제4 레그(110-4)의 하측(low side) 접점(h)에 연결될 수 있다. 제4 레그(110-4)에서는, 제2 다이오드(D2)의 캐소드는 제3 레그(110-3)와 제4 레그(110-4)의 상측(high side) 접점(g)에 연결되고, 제2 다이오드(D2)의 애노드는 제4 다이오드(D4)의 캐소드와 연결될 수 있으며, 제4 다이오드(D4)의 애노드는 제3 레그(110-3)와 제4 레그(110-4)의 하측(low side) 접점(h)에 연결될 수 있다.
또한, 제1 출력 전압선(110-6)은 제1 다이오드(D1)와 제3 다이오드(D3) 사이의 제3 노드(e)와 제2 다이오드(D2)와 제4 다이오드(D4) 사이의 제4 노드(f)를 연결할 수 있으며, 제1 출력 전압선(110-6) 상에는 제1 변압기(119)의 2차측 권선(119-2)이 마련될 수 있다.
여기서, 제1 변압기(119)의 2차측 권선(119-2)은 제1 변압기(119)의 1차측 권선(119-1)과 미리 정해진 변압기 턴비(1:n1)를 가지며 자기 결합되어 제1 변압기(119)를 형성하고, 제1 변압기(119)의 1차측 권선(119-1)으로부터 에너지를 전달받을 수 있다. 즉, 제1 변압기(119)의 2차측 권선(119-2)은 제1 변압기(119)의 1차측 권선(119-1)으로부터 제1 변압기 턴비(1:n1)에 따라 변환된 입력 전압(Vs)을 전달받을 수 있다.
또한, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 2차측 회로에 포함되는 지연 스위치(S5)는 일단이 제3 레그(110-3)와 제4 레그(110-4)의 상측(high side) 접점(g)에 연결될 수 있다.
여기서, 지연 스위치(S5)로는 BJT, JFET, MOSFET, MOS 트랜지스터 등이 사용될 수 있으며, 주로, MOS 트랜지스터가 가장 많이 사용될 수 있다. 따라서, 이하의 설명에서는 지연 스위치(S5)가 MOS 트랜지스터로 마련된 것을 예로 들어 설명한다. 또한, 지연 스위치(S5)에는 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)와 같은 방식으로 바디 다이오드와 기생 커패시터가 병렬로 연결되어 부가될 수 있다.
다시 말하면, 지연 스위치(S5)의 드레인 단자는 제3 레그(110-3)와 제4 레그(110-4)의 상측(high side) 접점(g)에 연결될 수 있으며, 지연 스위치(S5)의 소스 단자는 병렬로 연결되는 순환 다이오드(D9) 및 출력 인덕터(117)와 연결될 수 있다.
또한, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 2차측 회로에 포함되는 순환 다이오드(D9)의 캐소드는 지연 스위치(S5)의 소스 단자 및 출력 인덕터(117)의 일단과 연결되고, 순환 다이오드(D9)의 애노드는 제3 레그(110-3)와 제4 레그(110-4)의 하측(low side) 접점(h) 및 제1 출력 커패시터(118)와 연결될 수 있다. 이때, 출력 인덕터(117)의 타단 또한 제1 출력 커패시터(118)와 연결될 수 있다. 즉, 제1 출력 커패시터(118)의 양단은 각각 출력 인덕터(117) 및 순환 다이오드(D9)와 연결될 수 있으며, 배터리(300)로 제1 출력 전압(Vo1)을 전달할 수 있다.
이와 같이, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 2차측 회로는 1차측 회로로부터 제1 변압기(119)의 턴비(1:n1)에 따라 변환된 입력 전압(Vs)을 전달받고, 제1 다이오드(D1) 내지 제4 다이오드(D4)에 의해 정류하여 제1 출력 커패시터(118)로 전달함에 따라 배터리(300)를 충전시킬 수 있다. 이때, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 2차측 회로에 포함되는 지연 스위치(S5) 및 순환 다이오드(D9)에 의해 프리휠링(freewheeling) 구간에서 1차측 회로에 발생하는 순환전류(circulating current)를 제거할 수 있다. 즉, 순환 다이오드(D9)는 출력 인덕터(117)로부터 방출되는 전류가 제1 다이오드(D1) 내지 제4 다이오드(D4)의 정류 회로로 흐르는 것을 차단할 수 있다.
한편, 공진형 하프브리지 컨버터(120)는 제2 변압기(129)를 중심으로 1차측 회로와 2차측 회로가 전기적으로 절연된 절연형 컨버터로서, 1차측 회로는 상술한 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 1차측 회로에 포함되는 제2 레그(110-2)를 공유하는 하프브리지 회로를 포함할 수 있으며, 2차측 회로는 제5 다이오드(D5) 내지 제8 다이오드(D8)가 마련된 정류 회로 및 제2 출력 커패시터(128)를 포함할 수 있다.
구체적으로는, 공진형 하프브리지 컨버터(120)의 1차측 회로는 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 1차측 회로에 포함되는 제2 레그(110-2)로서, 제2 레그(110-2)에 연결되는 제2 입력 전압선(120-5)을 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 공진형 하프브리지 컨버터(120)의 1차측 회로는 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)에 포함되는 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)를 공유할 수 있다.
또한, 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4) 사이의 제2 노드(b)에 연결되는 제2 입력 전압선(120-5) 상에는 제2 누설 인덕터(123) 및 제2 변압기(129)의 1차측 권선(129-1)이 마련될 수 있다.
또한, 공진형 하프브리지 컨버터(120)의 1차측 회로는 제2 변압기(129)의 1차측 권선(129-1)과 제4 스위치(S4) 사이에 마련되는 공진 커패시터(124)를 더 포함할 수 있다. 즉, 제2 변압기(129)의 1차측 권선(129-1)과 제4 스위치(S4)의 소스 단자 사이에 공진 커패시터(124)가 마련될 수 있다.
이에 따라, 공진형 하프브리지 컨버터(120)의 1차측 회로는 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)와 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)를 공유하여, 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)를 1차측 회로에서 발생하는 공진 전류에 의해 동작시켜 입력 커패시터(200)로부터 공급되는 입력 전압(Vs)을 제2 변압기(129)를 통해 2차측 회로로 전달할 수 있다.
한편, 공진형 하프브리지 컨버터(120)의 2차측 회로에 포함되는 정류 회로는 병렬로 연결된 제5 레그(120-1)와 제6 레그(120-2) 및 제5 레그(120-1)와 제6 레그(120-2)를 연결하는 제2 출력 전압선(120-6)을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 제5 레그(120-1)의 상측(high side)에는 제5 다이오드(D5)가 마련되고, 제5 레그(120-1)의 하측(low side)에는 제7 다이오드(D7)가 마련될 수 있으며, 제6 레그(120-2)의 상측(high side)에는 제6 다이오드(D6)가 마련되고, 제6 레그(120-2)의 하측(low side)에는 제8 다이오드(D8)가 마련될 수 있다.
제5 다이오드(D5) 내지 제8 다이오드(D8)가 연결된 상태를 구체적으로 설명하면, 먼저, 제5 레그(120-1)에서는, 제5 다이오드(D5)의 캐소드는 제5 레그(120-1)와 제6 레그(120-2)의 상측(high side) 접점(k)에 연결되고, 제5 다이오드(D5)의 애노드는 제7 다이오드(D7)의 캐소드와 연결될 수 있으며, 제7 다이오드(D7)의 애노드는 제5 레그(120-1)와 제6 레그(120-2)의 하측(low side) 접점(l)에 연결될 수 있다. 제6 레그(120-2)에서는, 제6 다이오드(D6)의 캐소드는 제5 레그(120-1)와 제6 레그(120-2)의 상측(high side) 접점(k)에 연결되고, 제6 다이오드(D6)의 애노드는 제8 다이오드(D8)의 캐소드와 연결될 수 있으며, 제8 다이오드(D8)의 애노드는 제5 레그(120-1)와 제6 레그(120-2)의 하측(low side) 접점(l)에 연결될 수 있다.
또한, 제2 출력 전압선(120-6)은 제5 다이오드(D5)와 제7 다이오드(D7) 사이의 제5 노드(i)와 제6 다이오드(D6)와 제8 다이오드(D8) 사이의 제6 노드(j)를 연결할 수 있으며, 제2 출력 전압선(120-6) 상에는 제2 변압기(129)의 2차측 권선(129-2)이 마련될 수 있다.
여기서, 제2 변압기(129)의 2차측 권선(129-2)은 제2 변압기(129)의 1차측 권선(129-1)과 미리 정해진 변압기 턴비(1:n2)를 가지며 자기 결합되어 제2 변압기(129)를 형성하고, 제2 변압기(129)의 1차측 권선(129-1)으로부터 에너지를 전달받을 수 있다. 즉, 제2 변압기(129)의 2차측 권선(129-2)은 제2 변압기(129)의 1차측 권선(129-1)으로부터 제2 변압기 턴비(1:n2)에 따라 변환된 입력 전압(Vs)을 전달받을 수 있다.
또한, 공진형 하프브리지 컨버터(120)의 2차측 회로에 포함되는 제2 출력 커패시터(128)의 일단은 제5 레그(120-1)와 제6 레그(120-2)의 상측(high side) 접점(k)에 연결되고, 제2 출력 커패시터(128)의 타단은 제5 레그(120-1)와 제6 레그(120-2)의 하측(low side) 접점(l)에 연결될 수 있으며, 배터리(300)로 제2 출력 전압(Vo2)을 전달할 수 있다.
여기서, 제2 출력 커패시터(128)는 상술한 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 2차측 회로에 포함되는 제1 출력 커패시터(118)와 직렬로 연결될 수 있다. 즉, 배터리(300)에는 제1 출력 커패시터(118)로부터 방출되는 제1 출력 전압(Vo1)과 제2 출력 커패시터(128)로부터 방출되는 제2 출력 전압(Vo2)이 더해져 공급될 수 있다.
이와 같이, 공진형 하프브리지 컨버터(120)의 2차측 회로는 1차측 회로로부터 제2 변압기(129)의 턴비(1:n2)에 따라 변환된 입력 전압(Vs)을 전달받고, 제5 다이오드(D5) 내지 제8 다이오드(D8)에 의해 정류하여 제2 출력 커패시터(128)로 전달함에 따라 배터리(300)를 충전시킬 수 있다.
이와 같은, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터의 구동방법은, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)는 1차측 회로에 마련되는 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)의 스위칭 동작에 따라 입력 전압(Vdc)을 제1 변압기(119)로 전달하여 작동시킬 수 있으며, 이때, 2차측 회로에 마련되는 지연 스위치(S5)가 턴온 상태인 경우, 제1 변압기(119)를 통해 1차측 회로로부터 제1 출력 커패시터(118)로 에너지가 전달되고, 지연 스위치(S5)가 턴오프 상태인 경우, 2차측 회로에 마련된 순환 다이오드(D9)와 출력 인덕터(117)에 의한 프리휠링이 이루어질 수 있다.
또한, 공진형 하프브리지 컨버터(120)는 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)와 공유하는 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)를 1차측 회로의 LLC 공진의 최적 값에 따라 고정된 듀티로 동작시켜, 입력 전압(Vdc)을 제2 변압기(129)로 전달하여 작동시키고, 제2 변압기(129)를 통해 1차측 회로로부터 제2 출력 커패시터(128)로 지속적으로 에너지를 전달할 수 있다.
여기서, 제1 출력 커패시터(118)와 제2 출력 커패시터(128)는 직렬로 연결되어 배터리(300)로 에너지를 공급할 수 있으므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터는 높은 전압 이득을 달성할 수 있으며, 제1 출력 커패시터(118)와 제2 출력 커패시터(128)에 각각 복수의 다이오드를 포함하는 정류 회로가 병렬로 연결되므로, 복수의 다이오드의 전압 스트레스를 감소시킬 수 있다.
또한, 공진형 하프브리지 컨버터(120)는 LLC 공진의 최적 값에 따라 고정된 듀티로 동작하므로, 공진형 하프브리지 컨버터(120)의 출력 전압인 제2 출력 전압(Vo2)는 고정되고, 이에 따라, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 유효 듀티를 변화시켜 출력 전압인 제1 출력 전압(Vo1)을 제어함으로써 전체 출력 전압을 제어할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터는 상술한 바와 같이 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)에 의해 순환전류가 발생하지 않으며, 공진형 하프브리지 컨버터(120)가 고정 주파수로 동작하기 때문에 거의 전 부하 구간에서 1차측 회로에 포함되는 스위칭 소자들의 소프트 스위칭 조건을 만족시켜 소자들의 손상을 최소화할 수 있다. 즉, 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)는 영전압 스위칭(ZVS:Zero Voltage Switching)에 의해 턴온 되고, 영전류 스위칭(ZCS:Zero Current Switching)에 의해 턴오프될 수 있다. 특히, 경부하시, 종래의 위상천이 방식의 풀브리지 컨버터와 공진형 하프브리지 컨버터가 결합된 하이브리드 컨버터보다 높은 효율을 가질 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터의 구체적인 구동방법에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터의 동작에 따라 각 소자에 흐르는 전류 또는 각 소자에 걸리는 전압에 대한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 제1 레그(110-1)에 마련되는 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)는 소정의 데드 타임(Dead-time)을 가지며 대칭적으로 동작하고, 제2 레그(110-2)에 마련되는 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4) 또한 소정의 데드 타임(Dead-time)을 가지며 대칭적으로 동작할 수 있다.
여기서, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)와 공진형 하프브리지 컨버터(120)가 공유하는 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)는 공진형 하프브리지 컨버터(120)의 1차측 회로의 공진 주파수에 따라 동작할 수 있다.
또한, 지연 스위치(S5)는 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 1차측 회로의 대각선상에 마련된 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4) 또는 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 모두 턴온되는 경우 턴온되어, 제1 변압기(119)를 통해 1차측 회로로부터 2차측 회로로 에너지가 전달될 수 있다.
다시 말하면, 지연 스위치(S5)는 제3 스위치(S3) 또는 제4 스위치(S4)가 턴온되는 시점에 동시에 턴온될 수 있으며, 제1 스위치(S1) 또는 제2 스위치(S2)가 턴오프되는 시점에 동시에 턴오프될 수 있다.
이와 같은, 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4), 지연 스위치(S5)의 스위칭 주기의 반 주기를 5개의 구간으로 나누어 각 구간에 대한 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터의 동작모드를 설명한다.
먼저, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터의 제1 동작모드를 설명하기 위한 개략적인 회로도이다.
도 3을 참조하면, 제1 동작모드[t0~t1]에서는, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 1차측 회로에서는 제1 스위치(S1)를 제외하고 모든 스위치가 턴오프 상태이므로 제1 변압기(119)는 동작하지 않으며, 여기서, 제1 스위치(S1)는 미리 정해진 스위칭 주기에 따라 턴온 동작하여도 제1 변압기(119)가 동작하지 않아 전류가 흐르지 않으므로 도 3에서는 제1 스위치(S1)를 점선으로 도시하였다.
또한, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 2차측 회로에서는 순환 다이오드(D9)와 출력 인덕터(117)에 의한 프리휠링이 시작될 수 있다. 여기서, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 2차측 회로에서는 지연 스위치(S5)가 턴오프 상태이므로, 1차측 회로에서는 순환 전류가 발생하지 않으며, 이에 따라 1차측 회로의 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)의 손실을 방지할 수 있다.
한편, t0에서 제3 스위치(S3)는 영전류 스위칭(ZCS)에 의해 턴오프될 수 있다. 즉, t0에서 제3 스위치(S3)에 흐르는 전류(IDS3)는 공진형 하프브리지 컨버터(120)의 1차측 회로에 흐르는 자화 전류(ILm2)와 같아지므로, 제3 스위치(S3)는 영전류 스위칭(ZCS)에 의해 턴오프될 수 있다.
이때, 공진형 하프브리지 컨버터(120)의 1차측 회로에 흐르는 자화 전류(ILm2)는 제3 스위치(S3)에 병렬로 연결된 기생 커패시터를 방전시킬 수 있으며, 제4 스위치(S4)가 영전압 스위칭(ZVS) 조건을 만족시킬 수 있도록, 제4 스위치(S4)에 병렬로 연결된 바디 다이오드가 도통되기 직전까지 제4 스위치(S4)에 병렬로 연결된 기생 커패시터를 충전시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터의 제2 동작모드를 설명하기 위한 개략적인 회로도이다.
도 4를 참조하면, 제2 동작모드[t1~t2]에서는, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 1차측 회로에서는 대각선상에 마련된 제1 스위치(S1) 및 제4 스위치(S4)가 턴온되므로 제1 변압기(119)가 동작할 수 있으며, 2차측 회로에서는 지연 스위치(S5)가 턴온되므로, 1차측 회로의 전류(Ipri1)가 제1 변압기(119)에 의해 2차측 회로로 전달되어 출력 인덕터(117)로 반영될 수 있다.
즉, t1에서 제4 스위치(S4)가 영전압 스위칭(ZVS)에 의해 턴온되고, 지연 스위치(S5) 또한 동시에 턴온될 수 있다. 따라서, 입력 전압(Vdc)은 제1 스위치(S1) 및 제4 스위치(S4)를 통해 제1 변압기(119)로 전달되어, 1차측 회로의 전류(Ipri1)가 t1 에서 t2동안 선형적으로 증가하고, t2부터 제1 변압기(119)에 의해 2차측 회로로 전달될 수 있으며, 이는 출력 인덕터(117)로 반영될 수 있다.
한편, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 2차측 회로에서는 순환 다이오드(D9)가 여전히 도통되어 있으므로, 지연 스위치(S5)에 손실이 발생할 수 있다.
이때, 공진형 하프브리지 컨버터(120)는 제4 스위치(S4)의 턴온에 따라 제2 변압기(129)를 통해 1차측 회로로부터 2차측 회로로 에너지를 전달할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터의 제3 동작모드를 설명하기 위한 개략적인 회로도이다.
도 5를 참조하면, 제3 동작모드[t2~t3]에서는, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)와 공진형 하프브리지 컨버터(120) 모두 1차측 회로로부터 2차측 회로로 에너지를 전달할 수 있다.
이때, 제3 동작모드에서의 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 1차측 회로에 흐르는 전류(IPri1)의 증가량은 아래의 수학식 1을 이용하여 구할 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서 n1은 제1 변압기(119)의 턴비, Vdc는 입력 전압, Vo1는 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 출력 전압을 의미하고, Lo는 출력 인덕터(117)의 인덕턴스를 의미한다.
또한, 제1 출력 커패시터(118)의 커패시턴스(Co1) 및 제2 출력 커패시터(128)의 커패시턴스(Co2)를 충분히 큰 값으로 설계한 경우, 공진형 하프브리지 컨버터(120)에 포함되는 제2 변압기(129)의 1차측 회로에 흐르는 전류(IPri2)는 제2 누설 인덕터(123) 및 공진 커패시터(124)의 공진 주파수에 따라 증가할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터의 제4 동작모드를 설명하기 위한 개략적인 회로도이다.
제4 동작모드[t3~t4]에서는, t3에서 제1 스위치(S1) 및 지연 스위치(S5)가 턴오프될 수 있다.
이때, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 2차측 회로에서는 지연 스위치(S5)에 부가된 기생 커패시터가 빠르게 방전되고, 순환 다이오드(D9)가 도통될 수 있다. 따라서, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 2차측 회로에서는 제1 다이오드(D1) 내지 제4 다이오드(D4)에 의한 정류 회로 외에, 프리휠링을 위한 경로가 형성될 수 있다.
또한, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 1차측 회로에서는, 제2 스위치(S2)의 양단에 걸리는 전압이 급격하게 감소하여 제2 스위치(S2)는 t4 에서 영전압 스위칭(ZVS)에 의해 턴온될 수 있다.
여기서, 공진형 하프브리지 컨버터(120)는 지속적으로 1차측 회로로부터 2차측 회로로 에너지를 전달할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터의 제5 동작모드를 설명하기 위한 개략적인 회로도이다.
도 7을 참조하면, 제5 동작모드[t4~t5]에서는, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 1차측 회로에서는 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)를 제외하고 모든 스위치가 턴오프 상태이므로 제1 변압기(119)는 동작하지 않으며, 여기서, 제2 스위치(S2)는 미리 정해진 스위칭 주기에 따라 턴온 동작하여도 제1 변압기(119)가 동작하지 않아 전류가 흐르지 않으므로 도 7에서는 제2 스위치(S2)를 점선으로 도시하였다.
또한, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 2차측 회로에서는 순환 다이오드(D9)와 출력 인덕터(117)에 의한 프리휠링이 시작될 수 있다.
즉, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 2차측 회로에서는 프리휠링에 의해 배터리(300)로 출력 전류가 전달될 수 있으며, 지연 스위치(S5)는 턴오프 상태이므로 1차측 회로에서의 순환전류를 제거할 수 있다.
한편, t5에서 제4 스위치(S4)는 영전류 스위칭(ZCS:Zero Current Switching)에 의해 턴오프될 수 있다. 즉, t5에서 제4 스위치(S4)에 흐르는 전류(IDS4)는 공진형 하프브리지 컨버터(120)의 1차측 회로에 흐르는 자화 전류(ILm2)와 같아지므로, 제4 스위치(S4)는 영전류 스위칭(ZCS) 조건을 만족하며 턴오프될 수 있다. 즉, 제4 스위치(S4)는 부하 조건에 상관없이 영전류 스위칭(ZCS)에 의해 턴오프될 수 있다.
이후, 반 주기동안 상술한 제1 동작모드 내지 제5 동작모드에 따라 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)가 반대로 동작하고, 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4)가 반대로 동작하여 입력 커패시터(200)로부터 공급되는 전압(Vdc)을 배터리(300)로 전달할 수 있다.
이하에서는, 도 8 및 도9를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터의 설계 시 고려하여야 할 점을 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터에 포함되는 공진형 하프브리지 컨버터의 출력 전압과 변압기 턴비의 관계를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터는 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)와 공진형 하프브리지 컨버터(120)가 결합된 컨버터로서, 공진형 하프브리지 컨버터(120)의 출력에 의해 배터리(300)의 출력 부하의 일정 부분이 분담되고, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)에 의해서 배터리(300)의 출력 전압이 제어될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터의 효율을 최대화하기 위해서는, 공진형 하프브리지 컨버터(120)가 최대의 전압을 출력할 수 있도록 제2 변압기(129)의 턴비(n2)를 설정하되, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)에 포함되는 제1 변압기(119)의 턴비(n1)를 고려하여 설정하는 것이 바람직하다.
즉, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)에 의한 제1 출력 전압(Vo1)은 아래의 수학식 2를 이용하여 구할 수 있다.
Figure pat00002
수학식 2에서 n1은 제1 변압기(119)의 턴비이고, D는 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 1차측 회로에 포함되는 제1 레그(110-1)와 제2 레그(110-2) 사이의 유효 듀티이고, Vs는 입력전압을 의미한다.
또한, 공진형 하프브리지 컨버터(120)에 의한 제2 출력 전압(Vo2)는 아래의 수학식 3을 이용하여 구할 수 있다.
Figure pat00003
수학식 3에서 Vs는 입력 전압, n2는 제2 변압기(129)의 턴비를 의미한다.
또한, 수학식 2 및 3을 이용하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터의 최대 효율을 달성하기 위한 공진형 하프브리지 컨버터(120)에 포함되는 제2 변압기(129) 턴비(n2)의 범위는 아래의 수학식 4를 이용하여 구할 수 있다.
Figure pat00004
수학식 4에서, V0 max, V0 min는 출력 전압의 최대값 및 최소값, Vo1는 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)에 의한 출력 전압, Dmax, Dmin 는 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 1차측 회로에 포함되는 제1 레그(110-1)와 제2 레그(110-2) 사이의 유효 듀티의 최대값 및 최소값, Vs max, Vs min 는 입력 전압의 최대값 및 최소값을 의미한다.
따라서, 도 8을 참조하면, 공진형 하프브리지 컨버터(120)의 출력 전압은 대략 130V인 것이 바람직하며, 이를 반영하여 제1 변압기(119)의 턴비(n1) 및 제2 변압기(129)의 턴비(n2)를 설정할 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터를 이용한 배터리 충전 방법 및 영전압 스위칭 조건을 만족시키기 위한 조건을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 컨버터는 정전류/정전압(CC/CV) 방식으로 배터리(300)를 충전시킬 수 있으며, 정전압(CV) 충전 모드의 끝부분이 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 영전압 스위칭(ZVS) 조건을 만족시키기 위한 설계점이 될 수 있다.
구체적으로는, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)와 공진형 하프브리지 컨버터(120)가 공유하는 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)는 공진형 하프브리지 컨버터(120)의 1차측 회로의 공진 주파수에 따라 동작하므로, 소프트 스위칭 조건을 달성할 수 있다.
반면, 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 제1 레그(110-1)에 마련되는 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)는 제1 변압기(119)의 자화 인덕턴스를 이용하여 소프트 스위칭 조건을 달성할 수 있다.
따라서, 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 소프트 스위칭 조건을 만족시키기 위해서는, 소프트 스위칭을 위한 충분한 에너지가 필요하며, 두 스위치 사이에는 적절한 데드 타임이 설정되어야 한다. 즉, 제1 스위치(S1) 또는 제2 스위치(S2)의 소프트 스위칭이 이루어지는 상술한 제4 동작모드에서는 제1 레그(110-1)에 영향을 미치는 전체 인덕터의 에너지(EL)가 제1 레그(110-1)상의 전체 커패시터의 에너지(Ec)보다 커야 한다.
여기서, 제1 레그(110-1)상의 전체 커패시터의 에너지(Ec)는 아래의 수학식 5를 이용하여 구할 수 있다.
Figure pat00005
수학식 5에서, Coss는 각 스위치에 부가된 기생 커패시터의 커패시턴스, Cx는 제1 변압기(119)의 커패시턴스, Vs는 입력 전압을 의미한다.
수학식 5에서, Coss는 각 스위치에 부가된 기생 커패시터의 커패시턴스, Cx는 제1 변압기(119)의 커패시턴스, Vs는 입력 전압을 의미한다.
또한, 제1 레그(110-1)에 영향을 미치는 전체 인덕터의 에너지(EL)는 아래의 수학식 6을 이용하여 구할 수 있다.
Figure pat00006
수학식 6에서 Lm1은 제1 변압기(119)의 자화 인덕턴스이고, Im1,pk는 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터(110)의 1차측 회로에 흐르는 자화 전류이고, ILo,max는 출력 인덕터(117)에 흐르는 전류의 최대값이고, Llk1는 제1 누설 인덕터(113)의 누설 인덕턴스이고, n1은 제1 변압기(119)의 턴비를 의미한다.
이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터
120: 공진형 하프브리지 컨버터
200: 입력 커패시터
300: 배터리

Claims (14)

  1. 입력 전원을 공급받고 제1 스위치 내지 제4 스위치가 마련된 제1 레그 및 제2 레그를 포함하는 풀브리지 회로, 상기 풀브리지 회로를 통해 전달되는 입력 전압을 변환하는 제1 변압기, 상기 제1 변압기를 통해 변환된 상기 입력 전압을 전달받아 정류하는 복수의 다이오드, 프리휠링을 수행하기 위한 순환 다이오드 및 출력 인덕터, 상기 복수의 다이오드와 상기 순환 다이오드 및 출력 인덕터 사이에 마련되는 지연 스위치를 포함하는 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터; 및
    상기 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터와 상기 제2 레그를 공유하는 하프브리지 회로, 상기 하프브리지 회로를 통해 전달되는 입력 전압을 변환하는 제2 변압기, 상기 제2 변압기를 통해 변환된 상기 입력 전압을 전달받아 정류하는 복수의 다이오드를 포함하는 공진형 하프브리지 컨버터를 포함하는 하이브리드 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터는,
    상기 출력 인덕터 및 상기 순환 다이오드와 연결되는 제1 출력 커패시터를 포함하고,
    상기 공진형 하프브리지 컨버터는,
    상기 복수의 다이오드와 연결되는 제2 출력 커패시터를 포함하며,
    상기 제1 출력 커패시터와 상기 제2 출력 커패시터는 직렬로 연결되는 하이브리드 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터는,
    병렬로 연결된 제1 레그 및 제2 레그를 포함하고,
    상기 제1 레그 상에는 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 마련되고, 상기 제2 레그 상에는 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치가 마련되며,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는 소정의 데드 타임을 가지며 대칭적으로 동작하고,
    상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치는 소정의 데드 타임을 가지며 대칭적으로 동작하는 하이브리드 컨버터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공진형 하프브리지 컨버터는,
    상기 제2 레그와 연결되는 제2 입력 전압선을 더 포함하고,
    상기 제2 입력 전압선 상에는 공진 커패시터가 마련되는 하이브리드 컨버터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치는,
    각각 기생 커패시터와 바디 다이오드가 병렬로 연결되어 부가되는 하이브리드 컨버터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치는,
    고정된 주파수에 따라 스위칭 동작하는 하이브리드 컨버터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지연 스위치는,
    상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치가 모두 턴온 상태이거나, 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치가 모두 턴온 상태인 경우 턴온되는 하이브리드 컨버터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 지연 스위치는,
    기생 커패시터와 바디 다이오드가 병렬로 연결되어 부가된 하이브리드 컨버터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치는,
    영전압 스위칭에 의해 턴온 동작하고, 영전류 스위칭에 의해 턴오프 동작하는 하이브리드 컨버터.
  10. 입력 전원을 공급받고 제1 스위치 내지 제4 스위치가 마련된 제1 레그 및 제2 레그를 포함하는 풀브리지 회로, 상기 풀브리지 회로를 통해 전달되는 입력 전압을 변환하는 제1 변압기, 상기 제1 변압기를 통해 변환된 상기 입력 전압을 전달받아 정류하는 복수의 다이오드, 프리휠링을 수행하기 위한 순환 다이오드 및 출력 인덕터, 상기 복수의 다이오드와 상기 순환 다이오드 및 출력 인덕터 사이에 마련되는 지연 스위치, 상기 순환 다이오드 및 상기 출력 인덕터와 연결되는 제1 출력 커패시터를 포함하는 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터; 및 상기 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터와 상기 제2 레그를 공유하는 하프브리지 회로, 상기 하프브리지 회로를 통해 전달되는 입력 전압을 변환하는 제2 변압기, 상기 제2 변압기를 통해 변환된 상기 입력 전압을 전달받아 정류하는 복수의 다이오드, 및 상기 복수의 다이오드와 연결되는 제2 출력 커패시터를 포함하는 공진형 하프브리지 컨버터를 포함하는 하이브리드 컨버터의 구동방법에 있어서,
    상기 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터는,
    상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치의 스위칭 동작에 따라 상기 입력 전압을 상기 제1 변압기로 전달하여 상기 제1 변압기를 작동시키며, 상기 지연 스위치의 턴온 또는 턴오프에 따라 상기 제1 변압기를 통해 변환된 상기 입력 전압을 상기 지연 스위치를 통해 상기 제1 출력 커패시터로 공급하거나, 상기 순환 다이오드, 상기 출력 인덕터 및 상기 제1 출력 커패시터의 폐회로를 형성하여 상기 출력 인덕터에 저장된 전원을 상기 제1 출력 커패시터로 공급하고,
    상기 공진형 하프브리지 컨버터는,
    상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치의 스위칭 동작에 따라 상기 제2 변압기를 통해 상기 입력 전압을 상기 제2 출력 커패시터로 공급하는 하이브리드 컨버터의 구동방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치의 스위칭 동작에 따라 상기 입력 전압을 상기 제1 변압기로 전달하여 상기 제1 변압기를 작동시키는 것은,
    상기 제1 레그의 상측에 마련된 상기 제1 스위치와 상기 제2 레그의 하측에 마련된 상기 제4 스위치가 모두 턴온 상태이거나,
    상기 제1 레그의 하측에 마련된 제2스위치와 상기 제2 레그의 상측에 마련된 상기 제3 스위치가 모두 턴온 상태인 경우, 상기 입력 전압을 상기 제1 변압기로 전달하여 상기 제1 변압기를 작동시키는 것인 하이브리드 컨버터의 구동방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치는,
    고정된 주파수에 따라 스위칭 동작하는 하이브리드 컨버터의 구동방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 소프트 스위칭 풀브리지 컨버터는,
    유효 듀티를 변화시켜 상기 제1 출력 커패시터로부터 출력되는 제1 출력 전압을 제어하는 하이브리드 컨버터의 구동방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치는,
    영전압 스위칭에 의해 턴온 동작하고, 영전류 스위칭에 의해 턴오프 동작하는 하이브리드 컨버터의 구동방법.
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