KR20170115999A - Anti-Start Air Conditioner Compressor L-C Resonant DC/DC Converter for Commercial Vehicle - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상용차의 에어컨 사용시 무시동 에어컨용 압축기의 인버터에 사용되는 전원공급용 공진형 DC-DC 컨버터에 관한 것으로, 입력된 배터리 전압을 승압하여 출력하는 고주파 변압기, 고주파 변압기의 1차측에 풀-브리지 형태로 제1 내지 제4 스위치가 형성되며, 입력되는 신호에 따라 교번하여 스위칭되어 상기 배터리 전압을 상기 고주파 변압기에 제공하는 스위치부, 고주파 변압기의 2차측에 형성되며, 제1 및 제2 다이오드와 제1 및 제2 커패시터가 구비되어 상기 고주파 변압기에서 승압된 전압을 정류하는 정류부 및 정류부에서 출력되는 출력 전압을 수신하여 제1 내지 제4 스위치를 온오프 시키는 제어부를 포함하되, 고주파 변압기의 누설 인덕턴스와 제1 및 제2 커패시터의 공진주파수에서 공진하여 스위치부의 스위칭 손실을 저감하 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to a resonance type DC-DC converter for power supply used in an inverter of a neglected air conditioner compressor in the case of using an air conditioner of a commercial vehicle. The resonance type DC-DC converter includes a high frequency transformer for boosting the input battery voltage, A switching unit formed of first to fourth switches in a bridge form and alternately switched according to an input signal to provide the battery voltage to the high frequency transformer; a switch unit formed on a secondary side of the high frequency transformer, And a control unit including first and second capacitors to rectify the voltage boosted by the high frequency transformer and to turn on and off the first to fourth switches by receiving an output voltage output from the rectifier unit, Resonance occurs at the resonance frequency of the inductance and the first and second capacitors, thereby reducing the switching loss of the switch section, And more particularly, to an L-C resonance type DC-DC converter for an ignorable air conditioner compressor.
Description
본 발명은 자동차용 무시동 에어컨 압축기에 관한 것으로, 특히 상용차의 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to an L-C resonance type DC-DC converter for a neglected air conditioner compressor of a commercial vehicle.
세계 자동차 기술 개발 방향은 지구 온난화의 가속으로 온실가스 감축과 유가 상승으로 인한 연비 절감 기술에 집중되고 있다. 특히 상용차는 전체 자동차 점유율에 비해 높은 수송 효율을 차지하는 교통수단으로 국가물류 산업의 중심 역할을 하고 있다. 뿐만 아니라 상용차는 도시 건설이나 도로, 교량, 항만 등 사회 간접 자본을 지원하는 산업 분야로 전체 수송 분야에서 큰 비중을 차지하고 있기도 하다. 상용차는 연평균 주행거리가 승용차에 비해 3.4배로 유류 소모나 CO2 배출량이 커서 친환경 기술 개발 및 에너지 효율 향상의 필요성이 점차 증대되고 있다.Global automotive technology development is accelerating global warming, focusing on reducing greenhouse gases and reducing fuel consumption due to rising oil prices. In particular, commercial vehicles play a central role in the nation 's logistics industry as transportation means, which has a higher transportation efficiency than the overall vehicle market share. In addition, commercial vehicles are industrial sectors that support infrastructure such as urban construction, roads, bridges, and harbors. The average annual mileage of commercial vehicles is 3.4 times higher than that of passenger cars. As oil consumption and CO2 emissions are large, the need for environmentally friendly technology development and energy efficiency improvement is increasing.
일반적인 차량용 에어컨시스템은 엔진의 가동(주행 또는 공회전)에 의해 발생하는 에너지를 이용하여 운전자가 원하는 차량실내온도를 유지시켜주는 장치를 말한다.A general automotive air conditioning system refers to a device that maintains the temperature of the vehicle interior desired by the driver by using energy generated by the operation (running or idling) of the engine.
이러한 에어컨시스템의 작동은 엔진 구동력의 일부를 활용하고 있어 자동차의 연비와 큰 관련성 있다. 특히 하절기 작업 대기시나 차량내 야간취침 등이 빈번한 상용차량에 경우 운전자의 운행습관에 따라 에어컨의 이용율이 크게 좌우된다. 때문에 하절기 에어컨 사용량이 많은 상용차에 경우 냉방 동력을 위해 빈번하게 대형엔진을 구동하게 함으로써 과도한 연료 소비와 배기가스에 의한 환경오염이 발생한다. 이외에도 Euro III Emission 규제에 맞춰 출시되는 차량은 5분 이상의 차량 공회전 발생 시 엔진이 자동으로 정지되는 제어시스템의 장착이 의무화되어 있다. 때문에 화물차량 및 고속버스 차량 등과 같은 상용차량에 있어서의 정차시 냉방 문제는 반드시 해결해야 할 문제이다.The operation of this air conditioning system utilizes a part of the engine driving force and is related to the fuel efficiency of the automobile. Especially, in the case of a commercial vehicle where frequent summer work or nighttime sleep in the vehicle is frequently used, the usage rate of the air conditioner depends on the driving habit of the driver. Therefore, in the case of a commercial vehicle in which a large amount of air conditioner is used in the summer, excessive fuel consumption and environmental pollution due to exhaust gas are caused by driving a large engine frequently for cooling power. In addition, a vehicle released under the Euro III emission regulation is required to be equipped with a control system that automatically stops the engine if idling occurs for more than 5 minutes. Therefore, the problem of cooling when stopping a commercial vehicle such as a freight vehicle or a high-speed bus vehicle is a problem to be solved.
상용차량의 경우 배터리 기반의 직류시스템이 사용된다. 차량의 무시동 상태에서도 동작이 가능한 에어컨의 압축기 인버터는 260V 이상의 높은 전압이 요구되기 때문에 승압형 컨버터가 필수적이다. 특히, 저전압 고전류 특성과 고효율, 고전력밀도 등이 요구되는 전력변환 시스템에서는 고주파 스위칭에 의한 손실 저감 등의 장점이 있는 공진형 컨버터가 적합하다.For commercial vehicles, a battery-based direct current system is used. A compressor of the air conditioner that can operate even in the ignition state of a vehicle requires a high voltage of 260 V or more, so a step-up converter is essential. Particularly, a resonance type converter having advantages such as reduction in loss due to high frequency switching is suitable for a power conversion system in which low voltage high current characteristics, high efficiency and high power density are required.
종래 공진형 컨버터는 L-C 공진을 위한 인버터 및 컨버터가 구비되어 회로가 복잡해지며, 회로의 크기가 커져 전체 시스템의 크기가 커지는 문제점 있다. 또한, 종래 공진형 컨버터를 사용할 경우 주변 회로장치에 공진주파수에 의한 신호 간섭이 커지는 문제점 있다.Conventional resonance type converters are equipped with inverters and converters for L-C resonance, which complicates the circuit and increases the size of the circuit, thereby increasing the size of the entire system. In addition, when the conventional resonant converter is used, there is a problem that the signal interference due to the resonant frequency becomes large in the peripheral circuit device.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상용차량에서 사용하고 있는 저압의 배터리 전원 기반으로 10배 이상 승압이 가능한 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터를 제공하는 데 있다.The object of the present invention is to provide an L-C resonance type DC-DC converter for a commercial-vehicle air-conditioner compressor capable of increasing the
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 풀 브리지 결선된 스위치들의 스위칭 주파수를 공진주파수와 동일한 주파수가 되도록 제어하여 손실이 최소하고, 전체 시스템의 크기를 줄일 수 있는 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide an LC resonance type non-isolated air conditioner compressor for a commercial vehicle which can minimize the loss by reducing the switching frequency of the switches connected to the full bridge to a frequency equal to the resonance frequency, And a DC-DC converter.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상용차의 에어컨 사용시 무시동 에어컨용 압축기의 인버터에 사용되는 전원공급용 공진형 DC-DC 컨버터에 있어서, 입력된 배터리 전압을 승압하여 출력하는 고주파 변압기; 상기 고주파 변압기의 1차측에 풀-브리지 형태로 제1 내지 제4 스위치가 형성되며, 입력되는 신호에 따라 교번하여 스위칭되어 상기 배터리 전압을 상기 고주파 변압기에 제공하는 스위치부; 상기 고주파 변압기의 2차측에 형성되며, 제1 및 제2 다이오드와 제1 및 제2 커패시터가 구비되어 상기 고주파 변압기에서 승압된 전압을 정류하는 정류부; 및 상기 정류부에서 출력되는 출력 전압을 수신하여 상기 제1 내지 제4 스위치를 온오프 시키는 제어부를 포함하되, 상기 고주파 변압기의 누설 인덕턴스와 상기 제1 및 제2 커패시터의 공진주파수에서 공진하여 상기 스위치부의 스위칭 손실을 저감하는 것을 특징으로 하는 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터를 제공할 수 있다.In order to solve the above problems, the present invention provides a resonance type DC-DC converter for power supply used in an inverter of a neglected air conditioner compressor when using an air conditioner of a commercial vehicle, comprising: a high frequency transformer for boosting an input battery voltage to output; A switch unit having first to fourth switches formed in a full-bridge type on a primary side of the high-frequency transformer and alternately switched according to an input signal to provide the battery voltage to the high-frequency transformer; A rectifying unit formed on a secondary side of the high-frequency transformer and including first and second diodes and first and second capacitors to rectify a voltage boosted by the high-frequency transformer; And a control unit receiving the output voltage from the rectifying unit and turning on and off the first to fourth switches, wherein resonance occurs at a resonance frequency of the leakage inductance of the high frequency transformer and a resonance frequency of the first and second capacitors, DC resonant DC-DC converter for a non-commercial air-conditioner compressor for a commercial vehicle, characterized in that the switching loss is reduced.
상기 고주파 변압기는 상기 1차측 권선과 상기 2차측 권선이 분리되어 권선되며, 상기 변압기 중간에 공극이 형성될 수 있다.In the high frequency transformer, the primary winding and the secondary winding are separated and wound, and a gap may be formed in the middle of the transformer.
상기 스위치부는 상기 제1 및 제4 스위치가 동시에 온 또는 오프되며, 상기 제1 및 제4 스위치가 온 될 경우 나머지 제2 및 제3 스위치가 동시에 오프되며, 상기 1 및 제4 스위치가 오프 될 때 상기 제2 및 제3 스위치가 온 될 수 있다.The first and fourth switches are simultaneously turned on or off. When the first and fourth switches are turned on, the second and third switches are simultaneously turned off. When the first and fourth switches are turned off The second and third switches can be turned on.
상기 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터는 상기 제1 및 제4 스위치가 동시에 턴온되면, 상기 제1 다이오드가 도통되어 상기 배터리의 전원이 상기 제1 커패시터에 충전되며, 상기 누설 인턱턴스와 상기 제1 커패시터가 직렬 공진 상태가 될 수 있다.In the LC resonant DC-DC converter for a commercial vehicle air-conditioner compressor, when the first and fourth switches are turned on at the same time, the first diode is turned on, the power of the battery is charged in the first capacitor, The inductance and the first capacitor may be in a series resonance state.
상기 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터는 상기 제2 및 제3 스위치가 동시에 턴온되면, 상기 제2 다이오드가 도통되어 상기 배터리의 전원이 상기 제2 커패시터에 충전되며, 상기 누설 인덕턴스와 상기 제2 커패시터가 직렬 공진 상태가 될 수 있다.In the LC resonant DC-DC converter for a commercial vehicle air-conditioner compressor, when the second and third switches are simultaneously turned on, the second diode is turned on, the power of the battery is charged in the second capacitor, The inductance and the second capacitor may be in a series resonance state.
상기 제어부는 상기 직렬 공진 상태의 공진주파수를 상기 제1 내지 제4 스위치의 스위칭 주파수로 사용할 수 있다.The controller may use the resonance frequency of the series resonance state as the switching frequency of the first to fourth switches.
본 발명의 실시 예에 따른 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터는 상용차량에서 사용하고 있는 24V 저압의 배터리 전원 기반으로 260V 이상 승압(10배 이상)이 가능하다. The L-C resonant DC-DC converter for a commercial vehicle air-conditioner compressor according to an embodiment of the present invention is capable of stepping up (more than 10 times) by 260V or more based on 24V low-voltage battery power used in a commercial vehicle.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터는 스위칭 주파수를 공진주파수와 동일한 주파수가 되도록 제어하여 손실이 최소화 되며, 효율은 약 95.6%이다.Also, the L-C resonance type DC-DC converter for a commercial vehicle air-conditioner compressor according to an embodiment of the present invention controls the switching frequency to be equal to the resonance frequency to minimize the loss, and the efficiency is about 95.6%.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터는 L-C 공진을 위한 인덕터와 커패시터를 고주파 변압기의 누설인덕터와 정류부의 커패시터를 이용하여 회로를 간소화 할 수 있는 장점이 있다.The LC resonant DC-DC converter for a commercial vehicle air-conditioner compressor according to an embodiment of the present invention is characterized in that an inductor and a capacitor for LC resonance can be simplified by using a leakage inductor of a high frequency transformer and a capacitor of a rectifying part .
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터를 도시한 블록도.
도 2는 및 도 3은 L-C공진형 DC-DC 컨버터의 무부하 상태에서 제1 동작모드와 제2 동작모드의 천이를 도시한 도면들.
도 4는 제1 동작모드와 제2 동작모드의 파형을 도시한 파형도.
도 5는 도 1의 교류 등가회로를 도시한 회로도.
도 6은 고주파 변압기의 2차측 회로의 교류 등가회로를 도시한 회로도.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터의 DC 특성을 도시한 파형도.
도 8 내지 도 10는 본 발명의 실시 예에 따른 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터의 동작을 확인하기 위하여 시뮬레이션을 수행한 결과를 도시한 파형도들.
도 11은 입출력 전압, 전류를 나타낸 시뮬레이션 파형도.
도 12은 본 발명의 실시 예에 따른 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터의 사진.
도 13는 스위치부의 각 스위치들에 인가된 스위칭 신호(게이트 신호)를 도시한 파형도.
도 14은 누설 인덕턴스를 가진 고주파 변압기의 1차측 공진 전류 파형을 도시한 파형도.
도 15는 고주파 변압기의 2차측으로 전달된 공진 전류 파형을 도시한 파형도.
도 16는 고주파 변압기의 1차측 공진 전압 파형을 도시한 파형도.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터의 입출력 전압 및 전류를 도시한 파형도.
도 18은 출력전압 및 전류의 리플을 도시한 파형도.
도 19은 본 발명의 실시 예에 따른 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터의 효율을 도시한 파형도.1 is a block diagram showing an LC resonant DC-DC converter for a commercial vehicle air-conditioner compressor according to an embodiment of the present invention;
Fig. 2 and Fig. 3 are diagrams showing the transition of the first operation mode and the second operation mode in the no-load state of the LC resonance type DC-DC converter; Fig.
4 is a waveform diagram showing the waveforms of the first operation mode and the second operation mode;
5 is a circuit diagram showing the AC equivalent circuit of FIG. 1;
6 is a circuit diagram showing an AC equivalent circuit of a secondary circuit of a high-frequency transformer;
7 is a waveform chart showing DC characteristics of an LC resonant DC-DC converter for a commercial vehicle air-conditioner compressor according to an embodiment of the present invention;
FIG. 8 to FIG. 10 are waveform diagrams showing simulation results to confirm the operation of an LC resonant DC-DC converter for a commercial vehicle air-conditioner compressor according to an embodiment of the present invention. FIG.
11 is a simulation waveform diagram showing input / output voltage and current.
12 is a photograph of an LC resonant DC-DC converter for a commercial vehicle air-conditioner compressor according to an embodiment of the present invention.
13 is a waveform diagram showing a switching signal (gate signal) applied to each switch of the switch section.
Fig. 14 is a waveform diagram showing a primary side resonance current waveform of a high-frequency transformer having a leakage inductance; Fig.
15 is a waveform diagram showing a resonance current waveform transmitted to the secondary side of the high frequency transformer;
16 is a waveform diagram showing a primary side resonance voltage waveform of the high frequency transformer;
17 is a waveform diagram showing input / output voltages and currents of an LC resonant DC-DC converter for a commercial vehicle air-conditioner compressor according to an embodiment of the present invention.
18 is a waveform diagram showing ripples of the output voltage and current;
19 is a waveform chart showing the efficiency of an LC resonant DC-DC converter for a commercial vehicle air-conditioner compressor according to an embodiment of the present invention.
이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, the description of the present invention with reference to the drawings is not limited to a specific embodiment, and various transformations can be applied and various embodiments can be made. It is to be understood that the following description covers all changes, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.
이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.In the following description, the terms first, second, and the like are used to describe various components and are not limited to their own meaning, and are used only for the purpose of distinguishing one component from another component.
본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.Like reference numerals used throughout the specification denote like elements.
본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. It is also to be understood that the terms " comprising, "" comprising, "or" having ", and the like are intended to designate the presence of stated features, integers, And should not be construed to preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도 1 내지 도 19를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 19 attached herewith.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터를 도시한 블록도이다.1 is a block diagram showing an L-C resonance type DC-DC converter for a commercial vehicle air-conditioner compressor according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터는 스위치부(20), 고주파 변압기(30), 정류부(40) 및 제어부(50)를 포함할 수 있다. 1, a LC resonant DC-DC converter for a commercial vehicle air-conditioner compressor according to an embodiment of the present invention includes a switch unit 20, a high-
구체적으로, 스위치부(20)는 고주파 변압기(30)의 1차측에 형성된다. 스위치부(20)는 배터리(10)와 연결되어 배터리(10)에 충전된 전원을 고주파 변압기(30)에 제공한다. 스위치부(20)는 제1 내지 제4 스위치(21 내지 24)가 풀-브리지(full-bridge) 형태로 결선된다. 이때, 제1 및 제4 스위치(21, 24)가 동시에 턴온 또는 턴오프 되며, 제2 및 제3 스위치(22, 23)가 동시에 턴온 또는 턴오프 된다. 이때, 제1 및 제4 스위치(21, 24)가 턴온될 때, 제2 및 제3 스위치(22, 23)는 턴오프되며, 제1 및 제4 스위치(21, 24)가 턴오프 될 때, 제2 및 제3 스위치(22, 23)는 턴온된다. 상기 스위치부(20)는 제어부(50)에 의해 턴온 또는 턴오프 되도록 3단자 전력 스위치가 사용될 수 있다.Specifically, the switch portion 20 is formed on the primary side of the high-
고주파 변압기(30)는 1차측과 연결된 스위치부(20)의 동작에 따라 배터리(10)의 전원을 승압하여 2차측에 전달한다. 고주파 변압기(30)는 1차측 권선(N1)과 2차측 권선(N2)이 각각 1:12의 비율로 권선된다. 고주파 변압기(30)는 누설 인덕턴스와 플린징 효과에 따른 열적 스트레스를 줄이기 위하여 1차측 권선(N1)과 2차측 권선(N2)을 분리하여 권선하는 것이 바람직하다. 또한, 고주파 변압기(30)는 중간에 공극(air gap)이 형성된다.The high-
정류부(40)는 고주파 변압기(30)의 2차측에 형성된다. 정류부(40)는 제1 및 제2 다이오드(41, 42)와 제1 및 제2 커패시터(43, 44)가 결선된다. 정류부(40)는 고주파 변압기(30)에서 승압된 전압을 다시 승압하여 부하측에 공급할 수 있다.The rectifying part (40) is formed on the secondary side of the high frequency transformer (30). In the rectifying part 40, the first and
제어부(50)는 정류부(40)에서 출력되는 전압을 수신하여 상기 제1 내지 제4 스위치(21 내지 24)의 온 또는 오프를 제어한다. 제어부(50)는 제1 내지 제4 스위치(21 내지 24)의 온/오프 스위칭 주파수를 공진주파수와 동일하게 인가한다. 이를 통해, 공진주파수에서 인덕터와 커패시터의 임피던스가 0이 되어 최고 이득을 얻을 수 있다.The control unit 50 receives the voltage output from the rectifying unit 40 and controls the first to
이하, 도 2 내지 도 18을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터를 더 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the L-C resonance type DC-DC converter for a commercial vehicle air-conditioner compressor will be described in more detail with reference to FIG. 2 to FIG.
도 2는 및 도 3은 L-C공진형 DC-DC 컨버터의 무부하 상태에서 제1 동작모드와 제2 동작모드의 천이를 도시한 도면들이고, 도 4는 제1 동작모드와 제2 동작모드의 파형을 도시한 파형도이다.Fig. 2 and Fig. 3 are diagrams showing the transition of the first operation mode and the second operation mode in the no-load state of the LC resonance type DC-DC converter, Fig. 4 is a graph showing the waveforms of the first operation mode and the second operation mode Fig.
도 2를 참조하면, 제1 동작모드는 제1 및 제4 스위치(21, 24)가 턴온되고 제2 및 제3 스위치(22, 23)는 턴오프된다. 이때, 도 4의 제1 동작모드는 파형도에서 T0 < t < T1 구간이다.Referring to FIG. 2, in the first operation mode, the first and
입력전류는 제1 및 제4 스위치(21, 24)를 통해 고주파 변압기(30)를 거쳐 고주파 변압기(30)의 2차측에 전달된다. 동시에 제1 다이오드(41)를 도통시켜 배터리(10)에서 공급된 전원을 제1 커패시터(43)에 충전시킨다. 이때, 누설 인덕턴스(Lm)와 제1 커패시터(43)를 통한 직렬 공진 형태가 된다. 이후, 제1 커패시터(43)에 충전된 전류는 부하측으로 공급된다.The input current is transmitted through the first and
도 3을 참조하면, 제2 동작모드는 제2 및 제3 스위치(22, 23)가 턴온되고, 제1 및 제4 스위치(21, 24)가 턴오프된다. 이때, 도 5의 제2 동작모드는 파형도에서 T1 < t < T2 구간이다. Referring to FIG. 3, in the second operation mode, the second and
입력전류는 제2 및 제3 스위치(22, 23)를 통해 고주파 변압기(30)를 거쳐 고주파 변압기(30)이 2차측에 전달된다. 이와 동시에, 제2 다이오드(42)를 도통시켜 배터리(10)이 전원을 제2 커패시터(44)에 충전시킨다. 이때, 누설 인덕턴스(Lm)와 제2 커패시터(44)를 통한 직렬 공진 형태가 된다. 이후 제2 커패시터(44)에 충전된 전류는 부하측으로 공급된다. The input current is passed through the second and
여기서, 제1 동작모드와 제2 동작모드의 직렬 공진에 의해 전류파형은 사인파의 형태가 되며, 스위칭 손실과 써지성 노이즈가 저감된다. Here, the current waveform becomes a sinusoidal wave by the series resonance between the first operation mode and the second operation mode, and the switching loss and the write noise are reduced.
도 5는 도 1의 교류 등가회로를 도시한 회로도이고, 도 6은 고주파 변압기의 2차측 회로의 교류 등가회로를 도시한 회로도이다. 이때, 도 5의 등가회로는 고주파 변압기의 누설 인덕턴스(Lm)와 2차측 공진 커패시터(Cs1)를 고주파 변압기(30)의 1차측으로 환원한 것을 도시한 회로도이다.Fig. 5 is a circuit diagram showing the AC equivalent circuit of Fig. 1, and Fig. 6 is a circuit diagram showing an AC equivalent circuit of the secondary circuit of the high-frequency transformer. 5 is a circuit diagram showing that the leakage inductance Lm of the high-frequency transformer and the secondary-side resonant capacitor Cs1 are reduced to the primary side of the high-
도 5 및 도 6을 참조하면, 고주파 변압기(30)가 이상적이라 가정할 때, 공진주파수는, 수학식 1 내지 5를 이용하여 계산된다.5 and 6, when the high-
도 8은 시뮬레이션시 제1 내지 제4 스위치에 인가된 스위칭 신호를 도시한 파형도이고, 도 9는 공진 전압을 도시한 파형도이며, 도 10은 공진 전류를 도시한 파형도이다.FIG. 8 is a waveform diagram showing switching signals applied to the first to fourth switches in the simulation, FIG. 9 is a waveform diagram showing the resonance voltage, and FIG. 10 is a waveform diagram showing the resonance current.
도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 스위치부(20)에 형성된 제1 내지 제4 스위치(21 내지 24)의 게이트에 게이트 신호(스위치 턴온 신호)가 인가되면, 스위치들의 온/오프에 따라 배터리(10)의 전원이 부하측으로 전달된다. 이때, 고주파 변압기(30)의 공진용 인덕턴와 2차측에 마련된 커패시터는 주 인덕터의 전류가 최고인 지점에서 동작하며, 인덕터에 축적된 에너지는 스위치의 턴오프시 부하로 전달된다.As shown in FIGS. 8 to 10, when gate signals (switch turn-on signals) are applied to the gates of the first to
도 11은 입출력 전압, 전류를 나타낸 시뮬레이션 파형도이다.11 is a simulation waveform diagram showing input / output voltage and current.
도 11에 도시된 바와 같이, 24[V]의 전압을 입력으로 하여 260[V]의 출력전압과 9[A]의 출력전류가 발생하였으며, 출력전압의 평균은 입력전압의 10배가량으로 안정적으로 승압된 것을 볼 수 있다11, an output voltage of 260 [V] and an output current of 9 [A] are generated with a voltage of 24 [V] as an input. The average output voltage is stable at about 10 times as much as the input voltage As shown in Fig.
도 12 내지 도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터를 제조하여 실험한 결과를 도시한 도면들이다. 12 to 16 are diagrams showing experimental results of manufacturing an L-C resonance DC-DC converter for a commercial vehicle air-conditioner compressor according to an embodiment of the present invention.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터의 사진이며, 도 13은 스위치부의 각 스위치들에 인가된 스위칭 신호(게이트 신호)를 도시한 파형도이며, 도 14는 누설 인덕턴스를 가진 고주파 변압기의 1차측 공진 전류 파형을 도시한 파형도이고, 도 15는 고주파 변압기의 2차측으로 전달된 공진 전류 파형을 도시한 파형도이며, 도 16은 고주파 변압기의 1차측 공진 전압 파형을 도시한 파형도이다.FIG. 12 is a photograph of an LC resonance type DC-DC converter for a commercial-air-vehicle ignition air conditioner compressor according to an embodiment of the present invention, FIG. 13 is a waveform diagram showing a switching signal (gate signal) 15 is a waveform diagram showing a resonance current waveform transmitted to the secondary side of the high-frequency transformer, and FIG. 16 is a waveform diagram of the resonance current waveform of the high- Fig. 7 is a waveform diagram showing a primary side resonance voltage waveform of the resonator shown in Fig.
실험에 사용된 파라미터들은 표 2에 도시된 바와 같다. 상기 실험은 호리바(Horiba)사의 250kW급 배터리 시뮬레이터를 사용하여 측정하였다.The parameters used in the experiment are as shown in Table 2. The test was performed using a 250 kW battery simulator from Horiba.
도 12 내지 도 16에 도시된 바와 같이, 제1 및 제4 스위치와 제2 및 제3 스위치는 서로 교번하여 온/오프된다. 이때, 도 14에 도시된 바와 같이 제1 스위치가 온/오프 되는 동안 일정하게 공진이 이루어지고 있는 것을 확인할 수 있다.As shown in Figs. 12 to 16, the first and fourth switches and the second and third switches are alternately turned on / off. At this time, as shown in FIG. 14, it can be confirmed that the resonance is constantly performed while the first switch is turned on / off.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터의 입출력 전압 및 전류를 도시한 파형도이고, 도 18은 출력전압 및 전류의 리플을 도시한 파형도이다.17 is a waveform diagram showing the input / output voltage and current of the LC resonant DC-DC converter for a commercial vehicle air-conditioner compressor according to the embodiment of the present invention, and FIG. 18 is a waveform diagram showing ripples of the output voltage and current to be.
도 17에 도시된 바와 같이, 24[V]의 전압을 입력으로 하여 280[V]의 출력전압과 10[A] 전류가 발생하였으며, 출력평균 전압은 입력전압의 10배가량으로 안정적으로 승압된 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 17, an output voltage of 280 [V] and a current of 10 [A] are generated by inputting a voltage of 24 [V] and the average output voltage is stably boosted to about 10 times the input voltage .
또한, 도 18에 도시된 바와 같이, 출력 전압이 280[V]에서 리플이 매우 작은 것을 확인할 수 있으며, 출력 전류도 리플이 매우 작은 것을 확인할 수 있다.Further, as shown in FIG. 18, it can be seen that the ripple is very small at an output voltage of 280 V, and the output current has a very small ripple.
도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터의 효율을 도시한 파형도이다.19 is a waveform chart showing the efficiency of an L-C resonance type DC-DC converter for a commercial vehicle air-conditioner compressor according to an embodiment of the present invention.
도 19에 도시된 바와 같이, 1kW 내지 3kW 출력 전력 구간에서 약 95.6%의 효율이 측정되어, 본 발명이 에너지 이용 효율이 매우 높음을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 19, an efficiency of about 95.6% was measured at an output power range of 1 kW to 3 kW, which shows that the energy utilization efficiency of the present invention is very high.
10: 배터리
20: 스위치부
30: 고주파 변압기
40: 정류부10: Battery
20:
30: High frequency transformer
40: rectification part
Claims (1)
입력된 배터리 전압을 승압하여 출력하는 고주파 변압기;
상기 고주파 변압기의 1차측에 풀-브리지 형태로 제1 내지 제4 스위치가 형성되며, 입력되는 신호에 따라 교번하여 스위칭되어 상기 배터리 전압을 상기 고주파 변압기에 제공하는 스위치부;
상기 고주파 변압기의 2차측에 형성되며, 제1 및 제2 다이오드와 제1 및 제2 커패시터가 구비되어 상기 고주파 변압기에서 승압된 전압을 정류하고, 상기 승압된 전압을 다시 승압하여 부하측에 공급하는 정류부; 및
상기 정류부에서 출력되는 출력 전압을 피드백 방식으로 수신하여 상기 제1 내지 제4 스위치의 온 또는 오프를 제어함으로써 상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압을 안정적으로 승압하고 상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압의 리플 및 출력 전류의 리플을 감소시키는 제어부를 포함하되,
상기 고주파 변압기는
누설 인덕턴스와 플린징 효과에 따른 열적 스트레스를 줄이기 위하여 1차측 권선과 2차측 권선이 각각 1:12의 비율로 분리되어 권선되며, 상기 변압기 중간에 공극이 형성되고,
상기 스위치부는
상기 제1 및 제4 스위치가 동시에 온 또는 오프되며, 상기 제1 및 제4 스위치가 온 될 경우 나머지 제2 및 제3 스위치가 동시에 오프되며, 상기 1 및 제4 스위치가 오프 될 때 상기 제2 및 제3 스위치가 온 되고,
상기 제1 및 제4 스위치가 동시에 턴온되면, 상기 제1 다이오드가 도통되어 상기 배터리의 전원이 상기 제1 커패시터에 충전되며, 상기 누설 인덕턴스와 상기 제1 커패시터가 직렬 공진 상태가 되고,
상기 제2 및 제3 스위치가 동시에 턴온되면, 상기 제2 다이오드가 도통되어 상기 배터리의 전원이 상기 제2 커패시터에 충전되며, 상기 누설 인덕턴스와 상기 제2 커패시터가 직렬 공진 상태가 되고,
상기 제어부는
상기 직렬 공진 상태의 공진주파수를 상기 제1 내지 제4 스위치의 스위칭 주파수로 사용함으로써, 상기 고주파 변압기의 누설 인덕턴스와 상기 제1 및 제2 커패시터의 공진주파수에서 직렬 공진하여, 상기 스위치부의 스위칭 손실 및 써지성 노이즈를 저감하고,
24[V]의 전압을 입력할 시, 260~280[V]의 출력전압과 9~10[A]의 전류가 발생되고,
상기 고주판 변압기가 이상적이라 가정할 때, 공진 주파수는 다음의 수학식 1 내지 5에 의해 도출되며,
상기 스위치부는 제어부에 의해 턴온 또는 턴오프되도록 3단자 전력 스위치가 사용되는 것을 특징으로 하는 상용차용 무시동 에어컨 압축기용 L-C 공진형 DC-DC 컨버터.
[수학식 1]
[수학식 2]
[수학식 3]
[수학식 4]
[수학식 5]
1. A power supply resonance type DC-DC converter for use in an inverter of a compressor for air conditioner,
A high frequency transformer for boosting the input battery voltage and outputting the boosted voltage;
A switch unit having first to fourth switches formed in a full-bridge type on a primary side of the high-frequency transformer and alternately switched according to an input signal to provide the battery voltage to the high-frequency transformer;
And a rectifying part which is formed on a secondary side of the high frequency transformer and includes first and second diodes and first and second capacitors to rectify a voltage boosted by the high frequency transformer and supply the boosted voltage to the load side again, ; And
DC converter according to an embodiment of the present invention; FIG. 4 is a circuit diagram of a DC-DC converter according to a first embodiment of the present invention; FIG. And a controller for reducing ripple of the output current,
The high-
The primary winding and the secondary winding are separately wound at a ratio of 1:12 to reduce thermal stress due to the leakage inductance and the finsing effect, a gap is formed in the middle of the transformer,
The switch unit
The first and fourth switches are simultaneously turned on or off and the remaining second and third switches are simultaneously turned off when the first and fourth switches are turned on and when the first and fourth switches are turned off, And the third switch are turned on,
When the first and fourth switches are turned on at the same time, the first diode is turned on, the power of the battery is charged in the first capacitor, the leakage inductance and the first capacitor become a series resonance state,
When the second and third switches are turned on at the same time, the second diode is turned on, the power of the battery is charged in the second capacitor, the leakage inductance and the second capacitor are brought into a series resonance state,
The control unit
Wherein resonance frequency of the series resonance state is used as a switching frequency of the first to fourth switches to serially resonate at a resonance frequency of the leakage inductance of the high frequency transformer and a resonance frequency of the first and second capacitors, The write noise is reduced,
When a voltage of 24 [V] is input, an output voltage of 260 ~ 280 [V] and a current of 9 ~ 10 [A]
Assuming that the high-side transformer is ideal, the resonant frequency is derived by the following equations (1) to (5)
Wherein the switch unit is a three-terminal power switch that is turned on or off by the control unit.
[Equation 1]
&Quot; (2) "
&Quot; (3) "
&Quot; (4) "
&Quot; (5) "
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