KR20180004655A - Hybrid full-bridge llc converter and control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터 및 그 구동방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 충전 장치를 위한 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터 및 그 구동방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid full bridge LLC converter and a driving method thereof, and more particularly, to a hybrid full bridge LLC converter and a driving method thereof for a battery charging apparatus.
전기차(EVs: Electric Vehicles) 또는 플러그인 하이브리드 전기차(PHEVs: Plug-In Hybrid EVs)는 에너지 안전 보장성(energy security)을 증가시키고, 연료의 값을 절감하며, 배기 가스의 방출을 줄일 수 있다는 점에서 각광받고 있는데, 이러한 전기차(EVs) 또는 플러그인 하이브리드 전기차(PHEVs)에 있어서 높은 출력 밀도(power density) 및 효율을 갖는 탑재형 충전기(OBC: On-Board Charger)가 중요한 기술 요소 중 하나이다.Electric vehicles (EVs) or plug-in hybrid EVs (PHEVs) can be used to increase energy security, reduce fuel costs, and reduce emissions. One of the important technical factors is an on-board charger (OBC) having high power density and efficiency in such EVs or plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs).
탑재형 충전기(OBC)는 일반적으로 AC-DC 컨버터에 이은 DC-DC 컨버터로 구성되며, DC-DC 컨버터에 의해 차량의 배터리로 에너지가 전달되어 충전될 수 있다. 이러한 배터리 충전을 위한 DC-DC 컨버터의 제조비용, 안정성 및 효율성을 더욱 개선하기 위해 다양한 연구가 진행되어 상용화되었으며, 특히, 풀브릿지 LLC 컨버터가 가장 널리 사용되고 있다. 이와 관련하여, 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.The onboard charger (OBC) is generally composed of an AC-DC converter followed by a DC-DC converter, which can be charged and transferred to the vehicle's battery by a DC-DC converter. In order to further improve the manufacturing cost, stability and efficiency of the DC-DC converter for charging the battery, various studies have been conducted and commercialized. In particular, a full bridge LLC converter is most widely used. In this regard, the description will be made with reference to Fig.
도 1은 종래의 풀브릿지 LLC 컨버터의 회로도이다.1 is a circuit diagram of a conventional full bridge LLC converter.
도 1을 참조하면, 컨버터의 일차측에 4개의 스위치(S1, S2, S3, S4)가 마련된 것을 확인할 수 있는데, 풀브릿지 LLC 컨버터는 부하의 변화와 무관하게 일차측의 모든 스위치가 전 범위에서 영전압 스위칭(ZVS)을 달성할 수 있다. 또한, 풀브릿지 LLC 컨버터는 출력 전압의 범위가 좁은 경우 일차측의 모든 스위치가 낮은 전류에서의 턴오프가 가능하고, 정류 다이오드들(D1, D2, D3, D4)의 영전류 스위칭(ZCS)이 가능하다는 장점을 갖는다.Referring to FIG. 1, it can be seen that four switches S1, S2, S3, and S4 are provided on the primary side of the converter. All of the switches on the primary side of the full bridge LLC converter, Zero voltage switching (ZVS) can be achieved. In addition, the full-bridge LLC converter can turn off all the switches on the primary side at a low current when the output voltage range is narrow, and the zero-current switching (ZCS) of the rectifying diodes D1, D2, D3 and D4 .
그러나, 배터리 충전기는 CC(Constant Current) 및 CV(Constant Voltage) 모드가 요구되는데, CC 모드에서는 출력 전압이 배터리의 SOC(state of charge)에 따라 넓은 범위에서 변화하고, 넓은 범위의 스위칭 주파수가 요구되어 공진 효율을 저감시키게 된다. 즉, 넓은 범위의 스위칭 주파수에 있어서, 최저 스위칭 주파수에서는 높은 순환 전류(circulating current)를 발생시키고, 최대 스위칭 주파수에서는 고전류 턴오프가 발생하며, 최적화된 설계를 하는 데 어려움이 있다는 단점을 갖는다.However, the battery charger requires a constant current (CC) and a constant voltage (CV) mode. In the CC mode, the output voltage varies in a wide range according to the battery's state of charge (SOC) And the resonance efficiency is reduced. That is, in a wide range of switching frequencies, a high circulating current is generated at a lowest switching frequency, a high current turn-off occurs at a maximum switching frequency, and it is difficult to achieve an optimized design.
이에 풀브릿지 LLC 컨버터에서 발생하는 순환 전류를 최소화하기 위한 위상 천이 및 주파수 변이를 조합한 제어방식이 제안된바 있다. 이는 경부하 조건(light load condition)하에서의 순환 전류를 감소시키기 위한 제어방법으로, 과부하 조건(heavy load condition)하에서는 주파수 제어를 실시하되, 경부하 조건 하에서는 모든 구성요소들의 손실 분석을 통해 산출한 최적의 듀티 사이클에 기반하여 1차측 풀브릿지 회로의 리딩 레그(leading-leg)와 래깅 레그(lagging-leg) 사이에서의 위상 각을 제어할 수 있다. 이와 같은 방식에 따르면 순환 전류를 감소시킴에 따라, 턴오프 전류 또한 제거되어 경부하 조건 하에서의 더 나은 스위칭 동작을 구현할 수 있으나, 상술한 바와 같이 경부하 조건 하에서의 순환 전류를 감소시킬 수 있을 뿐, 과부하 조건 하에서의 더 나은 효과는 기대하기 어렵다.Therefore, a control method combining a phase shift and a frequency shift for minimizing a circulating current generated in a full bridge LLC converter has been proposed. This is a control method for reducing the circulating current under light load condition. The control is carried out under heavy load condition. In the case of under light load condition, Based on the duty cycle, the phase angle between the leading-leg and the lagging-leg of the primary side full bridge circuit can be controlled. According to this method, as the circulating current is reduced, the turn-off current is also removed to realize a better switching operation under the light load condition. However, as described above, the circulating current under the light load condition can be reduced, A better effect under the conditions is unexpected.
또한, 풀브릿지 LLC 컨버터의 단점을 극복하기 위한 최적화 디자인 방법들이 제안된바 있다. 예를 들면, 공진 인덕턴스를 이용하여 경부하 조건 하에서의 출력 전압의 조정 범위 및 전환 효율을 증가시키는 방법, 배터리에서의 낮은 주파수 및 높은 주파수의 전류 리플을 제거하여 결과적으로는 배터리 수명을 연장할 수 있는 공진 탱크 디자인 방법, 파라미터들을 최적화하기 위한 충전 프로필 특징에 기반한 시간별 평균 가중치 인덱스가 제안된바 있다. 그러나, 이와 같은 방식들은 모두 풀브릿지 LLC 컨버터의 문제점을 완전히 해결하기는 어려운데, 반도체 기기들의 스위칭 손실은 회로 토폴로지에 의존하기 때문이다.In addition, optimization design methods have been proposed to overcome the shortcomings of full bridge LLC converters. For example, there is a method of increasing the adjustment range and conversion efficiency of an output voltage under light load conditions using resonance inductance, a method of removing low frequency and high frequency current ripple in a battery, A resonant tank design method, and a time-averaged weight index based on a charge profile feature for optimizing parameters have been proposed. However, all of these approaches are difficult to completely solve the problem of a full bridge LLC converter because the switching loss of semiconductor devices depends on the circuit topology.
한편, 배터리 충전을 위한 DC-DC 컨버터로 듀얼 브릿지 LLC 컨버터가 제안된바 있다. 이는 고정 주파수의 PWM 제어 방식이 적용되어 퀄리티 인자(quality factor)로부터의 전압 이득 범위를 자유롭게 하며, 자화 인덕턴스가 DC 이득에 미치는 영향을 작게 하여, 크기가 큰 인덕터의 적용이 가능하고 결과적으로는 순환 전류를 감소시킬 수 있다. 그러나, 이러한 듀얼 브릿지 LLC 컨버터는 하프 브릿지에서 풀브릿지로 변화시키기 위한 두 개의 추가적인 능동 스위치가 필요하며, 총 여섯 개의 스위치 소자들이 특정 턴 오프 전류를 갖는다는 문제점이 있다.Meanwhile, a dual-bridge LLC converter has been proposed as a DC-DC converter for charging a battery. This is because the fixed frequency PWM control scheme is applied to freely adjust the voltage gain range from the quality factor and reduce the influence of the magnetizing inductance on the DC gain so that a large inductor can be applied, The current can be reduced. However, this dual-bridge LLC converter requires two additional active switches to change from half-bridge to full-bridge, with the problem that a total of six switch elements have a specific turn-off current.
다시, 도 1을 참조하면, 일반적인 풀브릿지 LLC 컨버터는 두 개의 공진 주파수가 존재하는데, 하나는 공진 커패시터 및 공진 인덕터와 자화 인덕터의 합에 의해 발생하는 공진 주파수로 출력 전류가 일정하게 유지되도록 하고, 다른 하나는 공진 커패시터 및 공진 인덕터에 의해 발생하는 공진 주파수로 부하의 변화와 무관하게 출력 전압이 일정하게 유지되도록 한다. 이때, 풀브릿지 LLC 컨버터가 배터리 충전기에 적용되어 CC 모드를 위해 정전류 주파수(constant-current frequency)에서 동작하고, CV 모드를 위해 정전압 주파수(constant-voltage frequency)에서 동작하도록 설계되는 경우, CV 모드에서는 순환 전류가 발생하지 않으나, CC 모드에서는 용량성 영역(capacitive region)에서 동작하게 되어 풀브릿지 회로에 마련된 스위치들의 ZVS 턴온 손상을 발생시킨다.Referring again to FIG. 1, a typical full bridge LLC converter has two resonant frequencies, one of which is to maintain a constant output current at a resonant frequency generated by the sum of resonant capacitors and resonant inductors and magnetizing inductors, And the other is a resonance frequency generated by the resonance capacitor and the resonance inductor so that the output voltage remains constant regardless of the change of the load. At this time, if the Full Bridge LLC converter is designed to operate at a constant-current frequency for the CC mode and to operate at a constant-voltage frequency for the CV mode applied to the battery charger, A circulating current does not occur, but in the CC mode, it operates in a capacitive region, causing ZVS turn-on damage of the switches provided in the full bridge circuit.
본 발명의 일측면은 고정된 공진 네트워크 조건 하에서 동작하는 제1 풀브릿지 LLC 컨버터와 CC 모드와 CV 모드 간에 변하는 공진 네트워크 조건 하에서 동작하는 제2 풀브릿지 LLC 컨버터가 결합된 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터 및 그 구동방법을 제공한다.One aspect of the invention is a hybrid full bridge LLC converter comprising a first full bridge LLC converter operating under fixed resonant network conditions and a second full bridge LLC converter operating under resonant network conditions varying between CC mode and CV mode, Thereby providing a driving method.
본 발명의 일 측면에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터는 입력 전압을 공급하는 입력 커패시터와 배터리 사이에서 전압 변환을 수행하며, 상기 배터리 충전을 위한 CC(Constant Current) 모드 또는 CV(Constant Voltage)에 따라 동작하는 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터로서, 상기 입력 커패시터와 연결되고 제1 스위치 내지 제4 스위치가 마련된 풀브릿지 회로를 포함하는 스위칭부, 상기 스위칭부와 연결되어 상기 스위칭부를 통해 전달되는 상기 입력 전압을 변환하는 제1 변압기, 상기 제1 변압기를 통해 변환된 입력 전압을 전달받아 정류하는 제1 정류 회로 및 상기 제1 정류 회로와 연결되는 제1 출력 커패시터를 포함하는 제1 풀브릿지 LLC 컨버터 및 상기 스위칭부와 연결되어 상기 스위칭부를 통해 전달되는 상기 입력 전압을 변환하는 제2 변압기, 상기 제2 변압기를 통해 변환된 입력 전압을 전달받아 정류하는 제2 정류 회로 및 상기 제2 정류 회로와 연결되는 제2 출력 커패시터를 포함하는 제2 풀브릿지 LLC 컨버터를 포함한다.A hybrid full bridge LLC converter according to one aspect of the present invention performs voltage conversion between an input capacitor for supplying an input voltage and a battery, and operates in accordance with a constant current (CC) mode or a constant voltage (CV) A full bridge bridge LLC converter including a full bridge circuit connected to the input capacitor and having first to fourth switches, and a switching unit connected to the switching unit to convert the input voltage transmitted through the switching unit A first full bridge LLC converter including a first transformer, a first rectifier circuit for receiving and rectifying the input voltage converted through the first transformer, and a first output capacitor connected to the first rectifier circuit, A second transformer connected to convert the input voltage transmitted through the switching unit, And a second full bridge LLC converter including a second rectifier circuit for receiving and rectifying the input voltage converted by the amplifier, and a second output capacitor connected to the second rectifier circuit.
한편, 제1 풀브릿지 LLC 컨버터는, 공진 네트워크를 형성할 수 있도록 상기 제1 변압기의 1차측에 제1 누설 인덕터, 제1 자화 인덕터 및 제1 공진 커패시터가 마련될 수 있다.Meanwhile, the first full-bridge LLC converter may include a first leakage inductor, a first magnetizing inductor, and a first resonating capacitor on the primary side of the first transformer so as to form a resonant network.
또한, 제2 풀브릿지 LLC 컨버터는, 공진 네트워크를 형성할 수 있도록 상기 제2 변압기의 1차측에 제2 누설 인덕터, 제2 자화 인덕터 및 CC 모드 커패시터가 마련되고, 상기 CC 모드 커패시터는 직렬로 연결된 CV 모드 커패시터 및 모드 스위치와 병렬 연결될 수 있다.The second full bridge LLC converter includes a second leakage inductor, a second magnetizing inductor, and a CC mode capacitor on the primary side of the second transformer so as to form a resonant network, and the CC mode capacitor is connected in series CV mode capacitors and mode switches.
또한, 제2 풀브릿지 LLC 컨버터는, 상기 CC 모드로 동작 시, 상기 모드 스위치의 턴오프 상태를 유지하고, 상기 CV 모드로 동작 시, 상기 모드 스위치의 턴온 상태를 유지하여 상기 CC 모드와 상기 CV 모드 간에 공진 네트워크 조건을 변화시킬 수 있다.The second full bridge LLC converter maintains the turn-off state of the mode switch when operating in the CC mode, maintains the turn-on state of the mode switch when operating in the CV mode, The resonant network conditions can be changed between the modes.
또한, 제1 출력 커패시터 및 상기 제2 출력 커패시터는 직렬 연결되고, 직렬 연결된 상기 제1 출력 커패시터 및 상기 제2 출력 커패시터는 상기 배터리와 병렬 연결될 수 있다.The first output capacitor and the second output capacitor are connected in series, and the first output capacitor and the second output capacitor connected in series may be connected in parallel with the battery.
또한, 스위칭부는, 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 마련될 수 있다.The switching unit may include first and second legs connected in parallel, wherein the first switch and the second switch are provided on the first leg, and the third switch and the fourth switch are provided on the second leg, A switch may be provided.
또한, 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치는 각각 기생 커패시터 및 바디 다이오드가 병렬로 연결되어 부가될 수 있다.The first switch to the fourth switch may be connected in parallel with a parasitic capacitor and a body diode, respectively.
또한, 제1 정류 회로는, 병렬로 연결된 제3 레그 및 제4 레그를 포함하고,Further, the first rectifying circuit includes a third leg and a fourth leg connected in parallel,
상기 제3 레그 상에는 제1 다이오드 및 제3 다이오드가 마련되고, 상기 제4 레그 상에는 제2 다이오드 및 제4 다이오드가 마련될 수 있다.A first diode and a third diode may be provided on the third leg, and a second diode and a fourth diode may be provided on the fourth leg.
또한, 제2 정류 회로는, 병렬로 연결된 제5 레그 및 제6 레그를 포함하고,Further, the second rectifying circuit includes a fifth leg and a sixth leg connected in parallel,
상기 제5 레그 상에는 제5 다이오드 및 제7 다이오드가 마련되고, 상기 제6 레그 상에는 제6 다이오드 및 제8 다이오드가 마련될 수 있다.A fifth diode and a seventh diode may be provided on the fifth leg, and a sixth diode and an eighth diode may be provided on the sixth leg.
본 발명의 다른 측면에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 구동방법은 입력 전압을 공급하는 입력 커패시터와 배터리 사이에서 상기 배터리 충전을 위한 CC(Constant Current) 모드 또는 CV(Constant Voltage)에 따라 동작하여 전압 변환을 수행하며, 상기 입력 커패시터와 연결되고 제1 스위치 내지 제4 스위치의 풀브릿지 회로로 구성된 스위칭부를 1차측 회로로 공유하되 별도의 2차측 회로를 갖는 제1 풀브릿지 LLC 컨버터 및 제2 풀브릿지 LLC 컨버터를 포함하는 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 구동방법으로서, 상기 제1 풀브릿지 LLC 컨버터는, 상기 CC 모드 및 상기 CV 모드로 동작 시 모두 동일한 공진 네트워크 조건 하에서 전압 변환을 수행하여 상기 입력 전압을 상기 배터리로 전달하고, 상기 제2 풀브릿지 LLC 컨버터는, 상기 CC 모드와 상기 CV 모드 간에 서로 다른 공진 네트워크 조건 하에서 전압 변환을 수행하여 상기 입력 전압을 상기 배터리로 전달한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of driving a hybrid full bridge LLC converter, comprising: operating according to a constant current (CC) mode or a constant voltage (CV) mode for charging the battery between an input capacitor for supplying an input voltage and the battery, And a first full bridge LLC converter and a second full bridge LLC having a separate secondary circuit and sharing a switching unit connected to the input capacitor and composed of a full bridge circuit of the first to fourth switches as a primary circuit, Wherein the first full bridge LLC converter performs voltage conversion under the same resonant network conditions when operating in the CC mode and the CV mode, , And the second full bridge LLC converter is configured to switch between the CC mode and the CV mode And performing a voltage conversion under different resonant network condition passes the input voltage to the battery.
한편, 제1 풀브릿지 LLC 컨버터는, 1차측 회로와 2차측 회로 사이에서 전압 변환을 수행하는 제1 변압기를 포함하고, 공진 네트워크를 형성할 수 있도록 상기 제1 변압기의 1차측에 제1 누설 인덕터, 제1 자화 인덕터 및 제1 공진 커패시터가 마련되어, 상기 CC 모드 및 상기 CV 모드로 동작 시 모두 동일한 공진 네트워크 조건 하에서 전압 변환을 수행할 수 있다.On the other hand, the first full-bridge LLC converter includes a first transformer for performing voltage conversion between the primary circuit and the secondary circuit, and a first leakage inductor A first magnetizing inductor and a first resonance capacitor are provided to perform voltage conversion under the same resonance network conditions when operating in the CC mode and the CV mode.
또한, 제2 풀브릿지 LLC 컨버터는, 1차측 회로와 2차측 회로 사이에서 전압 변환을 수행하는 제2 변압기를 포함하고, 공진 네트워크를 형성할 수 있도록 상기 제2 변압기의 1차측에 제2 누설 인덕터, 제2 자화 인덕터 및 CC 모드 커패시터가 마련되고, 상기 CC 모드 커패시터는 직렬로 연결된 CV 모드 커패시터 및 모드 스위치와 병렬 연결되어, 상기 모드 스위치의 스위칭 동작에 따라 상기 CC 모드와 상기 CV 모드 간에 서로 다른 공진 네트워크 조건 하에서 전압 변환을 수행할 수 있다.The second full bridge LLC converter further includes a second transformer for performing a voltage conversion between the primary circuit and the secondary circuit, and a second leakage inductor Mode capacitor is connected in parallel to a CV mode capacitor and a mode switch connected in series so that the CC mode capacitor and the CV mode capacitor are connected in parallel to each other in the CC mode and the CV mode according to the switching operation of the mode switch. It is possible to perform voltage conversion under resonant network conditions.
또한, 제2 풀브릿지 LLC 컨버터는, 상기 CC 모드로 동작 시, 상기 모드 스위치의 턴오프 상태를 유지하고, 상기 CV 모드로 동작 시, 상기 모드 스위치의 턴온 상태를 유지하여 상기 CC 모드와 상기 CV 모드 간에 공진 네트워크 조건을 변화시킬 수 있다.The second full bridge LLC converter maintains the turn-off state of the mode switch when operating in the CC mode, maintains the turn-on state of the mode switch when operating in the CV mode, The resonant network conditions can be changed between the modes.
또한, CC 모드로 동작 시, 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치의 턴온 또는 턴오프 동작에 따라 상기 스위칭부에 흐르는 전류가 상기 제1 풀브릿지 LLC 컨버터의 1차측과 상기 제2 풀브릿지 LLC 컨버터의 1차측으로 흐를 수 있다.In operation in the CC mode, a current flowing in the switching unit according to a turn-on or a turn-off operation of the first switch to the fourth switch is supplied to the primary side of the first full bridge LLC converter and the second full bridge LLC converter To the primary side.
상술한 본 발명에 따르면, CC 모드에서 영전압 스위칭과 거의 영전류 스위칭 조건하에서 주요 스위칭 동작이 가능하며, CV 모드에서 영전압 스위칭 조건하에서 주요 스위칭 동작이 가능하다. 또한, 공진 탱크를 변환하기 위해 단 하나의 추가적인 스위치만을 부가함으로써 이와 관련한 스위칭 로스가 발생되지 않는다. 또한, CC 모드 및 CV 모드에서 모두 고정된 공진 주파수 상에서 동작하므로, 낮은 순환 에너지가 발생된다. 또한, CC 모드 및 CV 모드 상의 공진 동작으로 정류기 다이오드에 대해 완벽한 소프트-스위칭을 가능하게 하고, 이로 인해 역회복 전류 문제가 발생되지 않을 수 있다. 또한, 두 개의 변환기와 두 개의 정류 브릿지가 직렬로 연결됨으로써 정류 다이오드의 높은 전압 이득과 낮은 전압 레이트가 제공될 수 있다.According to the present invention described above, the main switching operation is possible under the zero voltage switching and almost zero current switching conditions in the CC mode, and the main switching operation is possible under the zero voltage switching condition in the CV mode. In addition, only one additional switch is added to convert the resonant tank so that switching losses associated with this are not generated. Further, since both the CC mode and the CV mode operate on a fixed resonance frequency, low circulating energy is generated. In addition, resonant operation over the CC mode and CV mode allows full soft-switching to the rectifier diodes, which may not result in reverse recovery current problems. In addition, two converters and two rectifying bridges can be connected in series to provide a high voltage gain and a low voltage rate of the rectifier diode.
도 1은 종래의 풀브릿지 LLC 컨버터의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 개략적인 회로도이다.
도 3은 단일 풀브릿지 LLC 컨버터의 AC 등가 회로도이다.
도 4 는 CC 모드에서 동작시 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 AC 등가회로이다.
도 5 는 다른 부하 상태에 따른 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터의 전압 게인 특성과, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 출력 전류 특성을 도시한 도면이다.
도 6 은 CV 모드에서 동작시 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 AC 등가회로이다.
도 7 은 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터와 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 다른 부하 조건하에서의 전압 이득 특성을 도시한 도면이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터가 CC 모드로 동작시 시간에 따라 각 소자에 걸리는 전압 또는 각 소자에 흐르는 전류를 도시한 도면이다.
도 9 는 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 공진 탱크를 설계하는 구체적 방법이 도시된 순서도이다.
도 10 은 일정 조건하에서의 1차측 전류의 RMS 값의 크기와 제 2 자화 인덕턴스의 관계를 도시한 도면이다.
도 11 은 도 9 에 따른 공진탱크 설계방법에 따라 설계된 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 배터리 임피던스의 변화에 따른 입력 임피던스 특성을 도시한 도면이다.
도 12 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 회로도이다.
도 13 내지 도 18 은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터가 CC 모드로 동작하는 경우 각 소자에서 나타나는 파형의 일 예이다.
도 19 내지 도 24 는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터가 CV 모드로 동작하는 경우 각 소자에서 나타나는 파형의 일 예이다.1 is a circuit diagram of a conventional full bridge LLC converter.
2 is a schematic circuit diagram of a hybrid full-bridge LLC converter according to an embodiment of the present invention.
3 is an AC equivalent circuit diagram of a single full bridge LLC converter.
4 is an AC equivalent circuit of a hybrid full bridge LLC converter when operating in CC mode.
5 is a graph showing the voltage gain characteristics of the first full bridge LLC converter and the output current characteristics of the second full bridge LLC converter according to different load states.
6 is an AC equivalent circuit of a hybrid full bridge LLC converter in operation in the CV mode.
7 is a diagram showing voltage gain characteristics of the first full bridge LLC converter and the second full bridge LLC converter under different load conditions.
8 is a diagram showing voltage applied to each device or current flowing in each device according to time when the hybrid full-bridge LLC converter according to an embodiment of the present invention operates in the CC mode.
9 is a flowchart showing a specific method of designing a resonance tank of a hybrid full-bridge LLC converter.
10 is a diagram showing the relationship between the magnitude of the RMS value of the primary side current and the second magnetizing inductance under a certain condition.
FIG. 11 is a graph showing input impedance characteristics of a hybrid full bridge LLC converter designed according to the resonant tank designing method of FIG. 9 according to changes in battery impedance.
12 is a circuit diagram of a hybrid full-bridge LLC converter according to another embodiment of the present invention.
FIGS. 13 to 18 are examples of waveforms in the respective devices when the hybrid full-bridge LLC converter operates in the CC mode according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 19 to 24 are examples of waveforms in the respective devices when the hybrid full-bridge LLC converter according to the embodiment of the present invention operates in the CV mode.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. It is noted that the terms " comprises "and / or" comprising ", as used herein, do not exclude the presence or addition of one or more other elements, steps and operations.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 개략적인 회로도이다.2 is a schematic circuit diagram of a hybrid full-bridge LLC converter according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터(1000)는 배터리 충전 장치에 포함되는 DC-DC 컨버터로, 입력 커패시터(10)와 배터리(20) 사이에서 전압 변환을 수행하며, 제1 풀브릿지 LLC 컨버터(100)와 제2 풀브릿지 LLC 컨버터(200)는 일차측에 스위치 소자들로 구성된 스위칭부(300) 를 공유한다. Referring to FIG. 2, the hybrid full
이와 같은 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터(1000)는 LLC 공진 컨버터와 같이 일정 공진 주파수상에서 전압 소스 또는 전류 소스로서 동작한다. 즉, 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터(1000) 는 배터리 충전을 위한 CC(Constant Current) 모드 또는 CV(Constant Voltage) 모드로 동작할 수 있다. 구체적으로, CC 모드는 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터(100) 와 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터(200) 가 각각 전압 및 전류 소스로 동작함으로써 구현되고, CV 모드는 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터(100) 와 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터(200) 가 모두 전압 소스로 동작함으로써 구현된다. Such a hybrid full
이하, 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터(1000)의 각 구성요소에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, each component of the hybrid full
제1 풀브릿지 LLC 컨버터(100)는 제1 변압기(110)를 중심으로 1차측 회로와 2차측 회로가 전기적으로 절연된 DC-DC 공진형 컨버터로, 1차측 회로는 제1 스위치(310) 내지 제4 스위치(340)를 포함하는 풀브릿지 회로의 스위칭부(300) 와 연결되고, 2차측 회로는 제1 다이오드(131) 내지 제4 다이오드(134)가 마련된 정류 회로를 포함할 수 있다. The first full
또한, 제1 풀브릿지 LLC 컨버터(100)의 1차측 회로는 입력 커패시터(10)와 연결되고, 2차측 회로는 배터리(20)와 연결됨에 따라, 제1 변압기(110)에 의해 입력 커패시터(10)의 전압을 변환하여 배터리(20)로 전달할 수 있다.The primary side circuit of the first full
구체적으로는, 제1 풀브릿지 LLC 컨버터(100)는 1차측 회로의 전압을 1:n1의 턴비에 따라 변환하여 2차측 회로로 전달하는 제1 변압기(110)를 포함할 수 있다. 즉, 제1 변압기(110)는 1차측 권선 및 2차측 권선으로 구성되며, 1차측 권선은 제1 풀브릿지 LLC 컨버터(100)의 1차측 회로와 연결되고 2차측 권선은 제1 풀브릿지 LLC 컨버터(100)의 2차측 회로와 연결될 수 있다.Specifically, the first full
제1 풀브릿지 LLC 컨버터(100)의 1차측 회로는 스위칭부(300)와, 스위칭부(300)와 연결되는 제1 누설 인덕터(121), 제1 자화 인덕터(122) 및 제1 공진 커패시터(123)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 누설 인덕터(121)는 제1 변압기(110)의 공진 인덕터의 역할을 수행할 수 있다.The primary side circuit of the first full
한편, 제1 풀브릿지 LLC 컨버터(100)의 1차측 회로에 연결되는 스위칭부(300) 는 제2 풀브릿지 LLC 컨버터(200)의 1차측 회로와 공유된다. 이러한 스위칭부(300) 는 병렬로 연결된 제1 레그(300-1) 및 제2 레그(300-2)를 포함한다. 제1 레그(300-1) 및 제2 레그(300-2)의 상측 접점 및 하측 접점은 각각 입력 커패시터(10)의 양단에 연결될 수 있으며, 제1 레그(300-1)의 상측 및 하측에는 각각 제1 스위치(310) 및 제2 스위치(320)가 마련되고, 제2 레그(300-2)의 상측 및 하측에는 각각 제3 스위치(330) 및 제4 스위치(340)가 마련될 수 있다. 이때, 제1 스위치(310) 내지 제4 스위치(340)는 일예로, MOSFET 스위치일 수 있고, 각각 바디 다이오드와 기생 커패시터가 병렬로 연결되어 부가될 수 있다. Meanwhile, the
또한, 제1 풀브릿지 LLC 컨버터(100)의 1차측 회로는 이러한 스위칭부(300) 의 제1 레그(300-1) 및 제2 레그(300-2)를 연결하는 제1 입력 전압선(300-3)과 연결되어있다. 구체적으로, 제 1 입력 전압선(300-3) 은 제1 레그(300-1)에서 제1 스위치(310)와 제2 스위치(320) 사이의 제1 접점(a)과 제2 레그(120-2)에서 제3 스위치(123)와 제4 스위치(124) 사이의 제2 접점(b)을 연결하는 선이다. 이러한 제 1 입력 전압선(300-3) 상에는 제1 누설 인덕터(121), 제1 자화 인덕터(122) 및 제1 공진 커패시터(123)가 마련되어 제1 풀브릿지 LLC 컨버터(100)의 공진 네트워크를 형성할 수 있다. 이때, 제1 자화 인덕터(122)는 제1 변압기(110)의 1차측 권선과 병렬 연결될 수 있다.The primary side circuit of the first full
제1 풀브릿지 LLC 컨버터(100)의 2차측 회로는 제1 다이오드(131) 내지 제4 다이오드(134)로 구성되는 제1 정류 회로와, 이러한 제1 정류 회로와 연결되는 제1 출력 커패시터(135)를 포함할 수 있다.The secondary circuit of the first full
여기에서, 제1 정류 회로는 풀브릿지 회로의 형태로서, 병렬로 연결된 제3 레그(130-1) 및 제4 레그(130-2)를 포함한다. 제3 레그(130-1) 및 제4 레그(130-2)의 상측 접점 및 하측 접점은 각각 제1 출력 커패시터(135)의 양단에 연결될 수 있으며, 제3 레그(130-1)의 상측 및 하측에는 각각 제1 다이오드(131) 및 제3 다이오드(133)가 마련되고, 제4 레그(130-2)의 상측 및 하측에는 각각 제2 다이오드(132) 및 제4 다이오드(134)가 마련될 수 있다. Here, the first rectifying circuit includes a third leg 130-1 and a fourth leg 130-2 connected in parallel in the form of a full bridge circuit. The upper contact and the lower contact of the third leg 130-1 and the fourth leg 130-2 may be respectively connected to both ends of the
또한, 제1 풀브릿지 LLC 컨버터(100)의 2차측 회로는 이러한 제1 정류 회로의 제3 레그(130-1) 및 제4 레그(130-2)를 연결하는 제1 출력 전압선(130-3)을 포함한다. 구체적으로, 제 1 출력 전압선(130-3) 은 제3 레그(130-1)에서 제1 다이오드(131)와 제3 다이오드(133) 사이의 접점과 제4 레그(130-2)에서 제2 다이오드(132)와 제4 다이오드(134) 사이의 접점을 연결하는 선으로서, 이러한 제1 출력 전압선(130-3) 상에는 제1 변압기(110)의 2차측 권선이 마련될 수 있다.The secondary circuit of the first full
제2 풀브릿지 LLC 컨버터(200)는 제2 변압기(210)를 중심으로 1차측 회로와 2차측 회로가 전기적으로 절연된 DC-DC 공진형 컨버터로, 1차측 회로는 제1 스위치(310) 내지 제4 스위치(340)를 포함한 풀브릿지 회로로 구성된 스위칭부(300)와 연결되고, 2차측 회로는 제5 다이오드(231) 내지 제8 다이오드(234)가 마련된 제2 정류 회로와 연결될 수 있다. 특히, 제2 풀브릿지 LLC 컨버터(200)는 제1 풀브릿지 LLC 컨버터(100)와 달리 1차측 회로에 2 개의 공진 커패시터를 포함하여 CC 모드와 CV 모드에서의 공진 네트워크의 등가 커패시터를 변화시킬 수 있다. 이와 관련하여 구체적인 설명은 후술하기로 한다.The second full
또한, 제2 풀브릿지 LLC 컨버터(200)의 1차측 회로는 스위칭부(300)를 통해 입력 커패시터(10)와 연결되고, 2차측 회로는 배터리(20)와 연결됨에 따라, 제2 변압기(210)에 의해 입력 커패시터(10)의 전압을 변환하여 배터리(20)로 전달할 수 있다. The primary side circuit of the second full
구체적으로는, 제2 풀브릿지 LLC 컨버터(200)는 1차측 회로의 전압을 1:n2의 턴비에 따라 변환하여 2차측 회로로 전달하는 제2 변압기(210)를 포함할 수 있다. 즉, 제2 변압기(210)는 1차측 권선 및 2차측 권선으로 구성되며, 1차측 권선은 제2 풀브릿지 LLC 컨버터(200)의 1차측 회로와 연결되고, 2차측 권선은 제2 풀브릿지 LLC 컨버터(200)의 2차측 회로와 연결될 수 있다.Specifically, the second full
제2 풀브릿지 LLC 컨버터(200)의 1차측 회로는 상술한 바와 같이 제1 풀브릿지 LLC 컨버터(100)의 1차측 회로와 공유하는 스위칭부(300)와 연결되고, 제2 누설 인덕터(221), 제2 자화 인덕터(222) 및 병렬로 연결된 CC 모드 커패시터(223) 및 CV 모드 커패시터(224)를 포함할 수 있다. 이때, 제2 누설 인덕터(221)는 제2 변압기(210)의 공진 인덕터의 역할을 수행할 수 있다.The primary side circuit of the second full
한편, 제2 풀브릿지 LLC 컨버터(200)의 1차측 회로는, 스위칭부(300)의 제1 레그(300-1) 및 제2 레그(300-2)를 연결하는 제2 입력 전압선(300-4) 과 연결된다. 구체적으로, 제 2 입력 전압선(300-4) 는 제1 레그(300-1)에서 제1 스위치(310)와 제2 스위치(320) 사이의 제1 접점(a)과 제2 레그(300-2)에서 제3 스위치(330)와 제4 스위치(340) 사이의 제2 접점(b)을 연결하는 선일 수 있다. 이러한, 제2 입력 전압선(300-4) 상에는 제2 누설 인덕터(221), 제2 자화 인덕터(222) 및 CC 모드 커패시터(223)가 마련되고, 또한, CC 모드 커패시터(223)는 직렬로 연결된 CV 모드 커패시터(224) 및 모드 스위치(225)와 병렬 연결되어 제2 풀브릿지 LLC 컨버터(200)의 공진 네트워크를 형성할 수 있다. 이때, 제2 자화 인덕터(222)는 제2 변압기(210)의 1차측 권선과 병렬 연결될 수 있다. 따라서, 모드 스위치(225)의 스위칭 동작에 따라 제2 풀브릿지 LLC 컨버터(200)의 공진 네트워크에서의 등가 커패시터가 변경될 수 있는데, 이러한 모드 스위치(225)는 CC 모드로 동작시 턴오프되고 CV 모드로 동작시 턴온될 수 있다.The primary side circuit of the second full
제2 풀브릿지 LLC 컨버터(200)의 2차측 회로는 제5 다이오드(231) 내지 제8 다이오드(234)로 구성되는 제2 정류 회로와, 이러한 제2 정류 회로와 연결되는 제2 출력 커패시터(235)를 포함할 수 있다. 이때, 제2 출력 커패시터(235)는 제1 풀브릿지 LLC 컨버터(100)의 2차측 회로에 포함되는 제1 출력 커패시터(135)와 직렬 연결될 수 있으며, 직렬로 연결된 제1 출력 커패시터(135) 및 제2 출력 커패시터(235)가 배터리(20)의 양단에 연결될 수 있다.The secondary circuit of the second full
또한, 제2 정류 회로는 풀브릿지 회로 형태로, 병렬로 연결된 제5 레그(230-1) 및 제6 레그(230-2)를 포함하고, 제5 레그(230-1) 및 제6 레그(230-2)의 상측 접점 및 하측 접점은 각각 제2 출력 커패시터(235)의 양단에 연결될 수 있다. 이러한 제5 레그(230-1)의 상측 및 하측에는 각각 제5 다이오드(231) 및 제7 다이오드(233)가 마련되고, 제6 레그(230-2)의 상측 및 하측에는 각각 제6 다이오드(232) 및 제8 다이오드(234)가 마련될 수 있다.In addition, the second rectifier circuit includes a fifth leg 230-1 and a sixth leg 230-2 connected in parallel in the form of a full bridge circuit, and the fifth leg 230-1 and the sixth leg 230-2 may be connected to both ends of the
또한, 제2 풀브릿지 LLC 컨버터(200)의 2차측 회로는 이러한 제2 정류 회로의 제5 레그(230-1) 및 제6 레그(230-2)를 연결하는 제2 출력 전압선(230-3) 이 연결될 수 있다. 구체적으로, 제 2 출력 전압선(230-3) 은 제5 레그(230-1)에서 제5 다이오드(231)와 제7 다이오드(233) 사이의 접점과 제6 레그(230-2)에서 제6 다이오드(232)와 제8 다이오드(234) 사이의 접점을 연결하는 선으로서, 이러한 제2 출력 전압선(230-3) 상에는 제2 변압기(210)의 2차측 권선이 마련될 수 있다. The secondary circuit of the second full
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터(1000)는 제1 풀브릿지 LLC 컨버터(100) 및 제2 풀브릿지 LLC 컨버터(200)가 결합된 형태로 구성된다. 또한, 제1 풀브릿지 LLC 컨버터(100) 및 제2 풀브릿지 LLC 컨버터(200)는 입력 커패시터(10)와 연결되어 입력 전압(Vdc)을 변압기로 전달하는 스위치 소자들이 마련된 풀브릿지 회로의 스위칭부(300)를 공유한다. 특히, 제2 풀브릿지 LLC 컨버터(200)는 공진 커패시터가 마련된 별도의 외부 회로를 더 포함하여, 출력단과 연결되는 배터리(20)의 CC 충전 모드 또는 CV 충전 모드에 따라 공진 네트워크 조건을 변화시킬 수 있다.As described above, the hybrid full
이하에서는, 도 1에 도시된 단일 풀브릿지 LLC 컨버터의 동작 특성 및 구동원리를 설명한다.Hereinafter, the operation characteristics and the driving principle of the single full bridge LLC converter shown in FIG. 1 will be described.
도 3은 도 1 에 도시된 단일 풀브릿지 LLC 컨버터의 AC 등가 회로도이다. 도 3 에 도시된 단일 풀브릿지 LLC 컨버터의 AC 등가 회로도는 FHA(First Harmonic Approximation) 에 의해 도출된 회로로서, 두 개의 공진 주파수(fr1, fr2)를 갖는다.3 is an AC equivalent circuit diagram of the single full bridge LLC converter shown in FIG. The AC equivalent circuit diagram of the single full bridge LLC converter shown in FIG. 3 is a circuit derived by First Harmonic Approximation (FHA) and has two resonant frequencies f r1 and f r2 .
구체적으로, 제 1 공진 주파수(fr1)는 두 개의 공진 주파수 중 높은 주파수로서, 공진 인덕터(Lr), 공진 커패시터의 커패시턴스(Cr)에 의해 결정되며, 아래 수학식 1 과 같이 나타낼 수 있다.Specifically, the first resonance frequency f r1 is a high frequency of the two resonance frequencies, and is determined by the resonance inductor L r and the capacitance C r of the resonance capacitor, and can be expressed by
[수학식 1][Equation 1]
또한, 이러한 단일 풀브릿지 LLC 컨버터의 출력 전압은 수학식 2 과 같이 나타낼 수 있다. Also, the output voltage of this single full bridge LLC converter can be expressed by Equation (2).
[수학식 2]&Quot; (2) "
따라서, 단일 풀브릿지 LLC 컨버터가 제 1 공진 주파수(fr1)에서 동작하면, 수학식 2 에서의 AC 부하 저항(Rac)의 계수가 '0' 이 되므로, 전압 이득은 부하 변화에 독립적인 값이 될 수 있다. 따라서, 풀브릿지 LLC 컨버터는 제 1 공진 주파수(fr1) 상에서 상수의 전압 소스로 작동할 수 있으며, 1차측의 스위치들이 영전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching) 턴온을 달성할 수 있다. Therefore, when the single full bridge LLC converter operates at the first resonant frequency f r1 , since the coefficient of the AC load resistance R ac in Equation (2) becomes '0', the voltage gain becomes a value independent of the load change . Thus, the full bridge LLC converter can operate as a constant voltage source on the first resonant frequency (f r1 ), and the switches on the primary side can achieve Zero Voltage Switching (ZVS) turn on.
제 2 공진 주파수(fr2) 는 두 개의 공진 주파수 중 낮은 주파수로서, 공진 인덕터(Lr), 공진 커패시터의 커패시턴스(Cr) 및 자화 인덕터의 인덕턴스(Lm)에 의해 아래 수학식 3 과 같이 나타낼 수 있다.The second resonance frequency f r2 is a lower one of the two resonance frequencies and is expressed by the following equation 3 by the resonance inductor L r , the capacitance C r of the resonance capacitor, and the inductance L m of the magnetizing inductor .
[수학식 3]&Quot; (3) "
또한, 이러한 단일 풀브릿지 LLC 컨버터의 출력 전류는 수학식 4 와 같이 나타낼 수 있다. In addition, the output current of this single full bridge LLC converter can be expressed by Equation (4).
[수학식 4]&Quot; (4) "
따라서, 단일 풀브릿지 LLC 컨버터가 제 2 공진 주파수(fr2)에서 동작하면, 수학식 4 에서의 AC 부하 저항(Rac)의 계수가 '0' 이 되므로, 출력전류는 부하 변화에 독립적인 값이 될 수 있다. 따라서, 풀브릿지 LLC 컨버터는 제 2 공진 주파수(fr2) 상에서 상수의 전류 소스로 작동할 수 있다. 그러나, 이러한 제 2 공진 주파수가 적용된 단일 풀브릿지 LLC 컨버터는 영전류 스위칭(ZCS: Zero Current Switching) 턴 오프를 달성할 수 있으나 ZVS 턴 온을 달성할 수 없어 스위치 전력 측면에서 바람직하지 않은 측면이 있다. Therefore, when the single full bridge LLC converter operates at the second resonant frequency f r2 , the coefficient of the AC load resistance R ac in Equation (4) becomes '0', so that the output current is a value independent of the load change . Thus, the full bridge LLC converter can operate as a constant current source on the second resonant frequency (f r2 ). However, a single full-bridge LLC converter with such a second resonant frequency can achieve Zero Current Switching (ZCS) turn-off, but can not achieve ZVS turn-on, which is an undesirable aspect in terms of switch power .
이하에서는, 상술한 단일 풀브릿지 LLC 컨버터와 비교하여, 도 2 에 도시된 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터(1000)의 동작 특성 및 구동원리를 설명한다.Hereinafter, the operation characteristics and driving principle of the hybrid full
본 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터(1000) 는 1차측에 스위칭부를 공유한 두 개의 풀브릿지 LLC 컨버터로 구성되어 있다. The hybrid full
이러한 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터 중 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터는 항상 제 1 공진 주파수 상에서 전압 소스로 작동하도록 설계된다. 반면에, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터는 공진 탱크와 공진 주파수를 변환시키는 모드 스위치를 더 포함함으로써, CC 모드에서는 전류 소스로 CV 모드에서는 전압 소스로 작동하도록 설계된다. 즉, 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터는 CC 모드 및 CV 모드의 두가지 모두에서 동일한 공진 네트워크 조건하에 전압 변환을 수행하여 입력 전압을 배터리로 전달한다. 또한, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터는 CC 모드 CV 모드 간에 서로 다른 공진 네트워크 조건 하에서 전압 변환을 수행하여 입력 전압을 배터리로 전달한다. The first full bridge LLC converter of such a hybrid full bridge LLC converter is always designed to operate as a voltage source on the first resonant frequency. The second full bridge LLC converter, on the other hand, is further designed to operate as a current source in the CC mode and as a voltage source in the CV mode, by further including a mode switch for converting the resonance frequency and resonance frequency. That is, the first full bridge LLC converter performs voltage conversion under the same resonant network conditions in both the CC mode and the CV mode to transfer the input voltage to the battery. In addition, the second full bridge LLC converter performs voltage conversion between the CC mode CV modes under different resonant network conditions to transmit the input voltage to the battery.
표 1 은 본 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터에서의 공진탱크, 공진주파수, CC 모드 및 CV 모드 상에서의 공진 탱크 및 공진주파수의 사용관계를 보여준다. Table 1 shows the use relationships of the resonance tank and the resonance frequency in the resonance tank, the resonance frequency, the CC mode, and the CV mode in the hybrid full bridge LLC converter according to the present embodiment.
표 1 에서 보는 바와 같이, 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터(FBLLC1 converter)는 제 1 누설 인덕터 및 제 1 자화 인덕터의 인덕턴스(Llk1, Lm1) 및 제 1 공진 커패시터의 커패시턴스(Cr1)를 포함하는 공진 탱크를 갖으며, CC 모드 및 CV 모드에서 모두 제 1 공진 주파수( )가 사용됨을 살 수 있다. As shown in Table 1, the first full bridge LLC converter (FBLLC1 converter) includes a resonance tank including inductances Llk1 and Lm1 of the first leakage inductor and the first magnetizing inductor and a capacitance Cr1 of the first resonance capacitor Both in the CC mode and the CV mode, the first resonance frequency ( ) Can be used.
반면에, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터(FBLLC2 converter)는 제 2 누설 인덕터및 제 2 자화 인덕터의 인덕턴스( , ) 및 CC 모드 커패시터의 커패시턴스( )를 포함하는 제 1 공진 탱크와, 제 2 누설 인덕터 및 제 2 자화 인덕터의 인덕턴스( , ) 및 CC 모드 및 CV 모드 커패시터의 커패시턴스의 합과 같은 커패시턴스 를 포함하는 제 2 공진탱크를 포함한다. On the other hand, the second full bridge LLC converter (FBLLC2 converter) converts the inductance of the second leakage inductor and the second magnetizing inductor , ) And the capacitance of the CC mode capacitor ( , And a second resonance tank including an inductance of the second leakage inductor and the second magnetization inductor , ) And a capacitance equal to the sum of the capacitance of the CC mode and the CV mode capacitor And a second resonant tank.
또한, CC 모드에서는, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터(FBLLC2 converter)가 제 2 공진 주파수(fr2 _ LLC2)에서 전류 소스로서 작동되고, 이때 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터(FBLLC2 converter)의 제 2 공진 주파수(fr2 _ LLC2)는 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터(FBLLC1 converter)의 제 1 공진 주파수(fr1_LLC1)와 동일하게 설계될 수 있다. In the CC mode, the second resonant frequency of the second full bridge LLC converter (FBLLC2 converter) and a second resonant frequency and operating as a current source in (f r2 _ LLC2), wherein the second full-bridge LLC converter (FBLLC2 converter) (f r2 _ LLC2 ) may be designed to be the same as the first resonant frequency (f r1_LLC1 ) of the first full bridge LLC converter (FBLLC1 converter).
한편, CV 모드에서는, 모드 스위치가 턴온되어 제 1 공진 주파수(fr1 _ LLC3)에서 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터(FBLLC2 converter)가 전압 소스로 작동한다. 또한, 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터(FBLLC1 converter)와 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터(FBLLC2 converter)는 각각의 제 1 공진 주파수(fr1 _ LLC1,fr1 _ LLC3) 상에서 동작할 수 있다. 한편, 모드 스위치가 턴온됨으로써 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터(FBLLC2 converter)의 공진탱크가 제 1 공진 주파수(fr1_LLC3) 상에서 공진할 수 있도록 변환될 수 있다. On the other hand, in CV mode, the mode switch is turned on to operate at a first resonant frequency (f r1 _ LLC3) a voltage source a second full bridge LLC converter (FBLLC2 converter) in. In addition, it is possible to operate on a first full bridge LLC converter (FBLLC1 converter) and a second full bridge LLC converter (FBLLC2 converter) are each of a first resonant frequency (f r1 _ LLC1, f r1 _ LLC3). On the other hand, when the mode switch is turned on, the resonance tank of the second full bridge LLC converter (FBLLC2 converter) can be converted so as to resonate on the first resonance frequency ( fl1_LLC3 ).
도 4 는 CC 모드에서 동작시 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 AC 등가회로이다. 4 is an AC equivalent circuit of a hybrid full bridge LLC converter when operating in CC mode.
먼저, CC 모드에서는 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터가 전압 소스로서 동작하고, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터는 전류 소스로서 동작함으로써 구현된다. First, in CC mode, a first full bridge LLC converter operates as a voltage source, and a second full bridge LLC converter operates as a current source.
또한, 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터의 출력 전압(Vo1)은 전체 컨버터가 전류 소스로 동작되야 하므로, 최소 배터리 전압(예컨대, 250V) 의 출력 전압보다 낮도록 디자인되어야 한다. 또한, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터 측에서 살펴보면, 모드 스위치가 CC 모드상에서는 오프되어 있으므로, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 공진 탱크는 Llk2, Lm2, Cr2로 구성될 수 있다. 이때, 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터의 제 1 공진 주파수(fr1_LLC1)와 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 제 2 공진 주파수(fr2 _ LLC2)는 각각 아래 수학식 5 및 수학식 6 과 같이 나타낼 수 있다. In addition, the output voltage (V o1 ) of the first full bridge LLC converter must be designed to be lower than the output voltage of the minimum battery voltage (e.g., 250V) since the entire converter must be operated as a current source. In the second full bridge LLC converter side, since the mode switch is off in the CC mode, the resonance tanks of the second full bridge LLC converter may be composed of Llk2, Lm2, and Cr2. At this time, the second resonant frequency of the full bridge LLC first resonant frequency (f r1_LLC1) and the second full bridge LLC converter of the converters (f r2 _ LLC2) can be expressed by equation (5) and Equation (6) below, respectively .
[수학식 5]&Quot; (5) "
[수학식 6]&Quot; (6) "
한편, 도 4 에 도시된 바와 같이, 두 개의 컨버터는 일차측 스위치를 공유하므로, 두 컨버터의 공진탱크는 같은 공진 주파수가 되도록 설계되어야 한다. 즉, 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터의 제 1 공진 주파수(fr1 _ LLC1)와 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 제 2 공진 주파수(fr2 _ LLC2)는 CC 모드 상에서 동일하게 설계될 수 있으며, 그 결과는 도 5 에 도시된 바와 같다. 도 5 는 다른 부하 상태에 따른 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터의 전압 게인 특성(도 5 의 (a))과, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 출력 전류 특성(도 5 의 (b))을 도시한 도면이다. 도 5 에 따르면, 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터 및 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터 모두 스위칭 주파수 fs 에서 공진함을 알 수 있고, 이로써 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터는 상수 전압 소스로서, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터는 상수 전류 소스로서 각각 동작할 수 있다. On the other hand, as shown in Fig. 4, since the two converters share the primary side switch, the resonance tanks of the two converters must be designed to have the same resonance frequency. That is, the first full-bridge LLC first resonant frequency (f r1 _ LLC1) and the second resonant frequency (f r2 _ LLC2) of the second full bridge LLC converter of the converter may be the same design on the CC mode, and as a result As shown in Fig. 5 is a graph showing the voltage gain characteristics (FIG. 5A) of the first full bridge LLC converter and the output current characteristics (FIG. 5B) of the second full bridge LLC converter according to different load states to be. 5, it can be seen that both the first full bridge LLC converter and the second full bridge LLC converter resonate at the switching frequency fs, whereby the first full bridge LLC converter is a constant voltage source and the second full bridge LLC converter Respectively, as a constant current source.
한편, 도 4 로 돌아가서, 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터는 상수 전압 소스 으로 나타낼 수 있고, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터는 상수 전류 소스 로 나타낼 수 있으며, 각각의 상수 전압 소스 및 상수 전류 소스 는 아래 수학식 7 및 수학식 8 과 같은 관계식을 갖는다.4, the first full bridge LLC converter includes a constant voltage source And the second full bridge LLC converter can be represented by a constant current source Respectively, and each constant voltage source And constant current sources (7) and (8): " (7) "
[수학식 7]&Quot; (7) "
여기서, n1 은 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터의 제 1 변압기의 턴비이다. Where n 1 is the turn ratio of the first transformer of the first full bridge LLC converter.
[수학식 8]&Quot; (8) "
한편, CC 모드 상에서는 이러한 전압 소스 및 전류 소스인 두 개의 컨버터의 출력이 직렬로 연결되어 있는바, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 출력 전류( )는 CC 모드 상에서의 배터리의 충전 전류( )와 같아야 한다. 따라서, 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터 및 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 출력 파워는 아래 수학식 9 와 같이 정의될 수 있다. On the other hand, in the CC mode, the outputs of the two converters which are the voltage source and the current source are connected in series, and the output current of the second full bridge LLC converter ) Is the charge current of the battery in CC mode ( ). Therefore, the output powers of the first full bridge LLC converter and the second full bridge LLC converter can be defined by Equation (9) below.
[수학식 9]&Quot; (9) "
, ,
여기서, 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터의 출력 전압은 최소 배터리 전압(예컨대, 250V) 보다 작은 최대 배터리 전압의 반(예컨대, 210V) 으로 설계될 수 있고 이로 인해 배터리의 충전 전류는 오직 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 출력 전류에 의해 결정될 수 있다. Here, the output voltage of the first full bridge LLC converter may be designed to be one half of the maximum battery voltage (e.g., 210V) that is less than the minimum battery voltage (e.g., 250V) so that the charge current of the battery is only limited to the second full bridge LLC Can be determined by the output current of the converter.
도 6 은 CV 모드에서 동작시 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 AC 등가회로이다. 6 is an AC equivalent circuit of a hybrid full bridge LLC converter in operation in the CV mode.
먼저, 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터를 CV 모드에서 동작시키려면 모드 스위치를 턴온 시켜야 한다. 이로 인해, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터측의 공진 탱크가 변경되며, 도 6 에 도시된 바와 같이, 변경된 공진탱크는 , , 및 병렬로 연결된 공진 커패시턴스(,)의 합성 커패시턴스 값이다. 따라서, CV 모드 상에서의 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 공진 주파수는 아래 수학식 10 과 같다. First, the mode switch must be turned on to operate the Hybrid Full Bridge LLC converter in CV mode. As a result, the resonance tank on the side of the second full bridge LLC converter is changed, and as shown in Fig. 6, the changed resonance tank , , And the resonant capacitance connected in parallel ( , ) ≪ / RTI > to be. Thus, the resonant frequency of the second full bridge LLC converter in the CV mode is given by
[수학식 10]&Quot; (10) "
또한, 두 개의 컨버터가 CV 모드상에서 동일한 스위칭 주파수에서 공진되어야 하므로, 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터의 제 1 공진 주파수(fr1 _ LLC1)와 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 제 1 공진 주파수(fr1 _ LLC3) 가 동일하게 설계되어야 한다. 도 7 은 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터(도 7의 (a)) 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터(도 7 의 (b))의 다른 부하 조건하에서의 전압 이득 특성을 도시한 도면이다. 도 7 에 따르면, 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터와 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터 모두 스위칭 주파수 fs 에서 공진함을 알 수 있고, 이로써 두 개의 컨버터 모두 상수 전압 소스로서 동작할 수 있다. In addition, the two, so the converter is to be resonant at the same switching frequency on the CV mode, the first full-bridge first resonant frequency of the LLC converter first resonant frequency (f r1 _ LLC1) and the second full bridge LLC converter (f r1 _ LLC3 shall be designed the same. 7 is a diagram showing the voltage gain characteristics of the first full bridge LLC converter (FIG. 7A) and the second full bridge LLC converter (FIG. 7B) under different load conditions. Referring to FIG. 7, it can be seen that both the first full bridge LLC converter and the second full bridge LLC converter resonate at the switching frequency fs, so that both converters can operate as constant voltage sources.
다시 도 6 으로 돌아와서, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 출력값인 상수 전압 소스 는 아래 수학식 11 과 같고, 여기서 n2는 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 제 2 변압기의 턴비이다. 6, the output of the second full bridge LLC converter, which is a constant voltage source It is equal to
[수학식 11]&Quot; (11) "
또한, 출력측은 두 개의 전압 소스(,)가 직렬 연결된 상태이므로, CV 모드 상에서의 컨버터 출력(Vo)은 아래 수학식 12 와 같이 표현될 수 있다. Further, the output side has two voltage sources ( , ) Is connected in series, the converter output (V o ) in the CV mode can be expressed by Equation (12) below.
[수학식 12]&Quot; (12) "
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터가 CC 모드로 동작시 시간에 따라 각 소자에 걸리는 전압 또는 각 소자에 흐르는 전류를 도시한 도면이다. 8 is a diagram showing voltage applied to each device or current flowing in each device according to time when the hybrid full-bridge LLC converter according to an embodiment of the present invention operates in the CC mode.
도 8 을 참조하면, 본 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터는 CC 모드로 동작시, 제 1 변압기 및 제 2 변압기의 1차측에 마련된 스위칭부의 제 1 내지 제 4 스위치의 턴온 또는 턴오프 동작에 따라 4 개의 동작 모드로 동작할 수 있다. 이때, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터에 포함되는 모드 스위치는 항상 턴오프 상태이다. Referring to FIG. 8, the hybrid full bridge LLC converter according to the present embodiment is configured such that, when operating in the CC mode, the first to fourth switches of the switching unit provided on the primary side of the first transformer and the second transformer are turned on or off It can operate in four operation modes. At this time, the mode switch included in the second full bridge LLC converter is always turned off.
구체적으로, 도 8 의 제 1 동작 모드[]를 살펴보면, 먼저 제 2 스위치 및 제 3 스위치는 t=에서 거의 영전류(ZCS) 스위칭 조건하에 턴 오프될 수 있다. 제 2 및 제 3 스위치가 턴 오프되면, 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 1차측 전류() 는 제 1 스위치 및 제 4 스위치의 출력 커패시터를 방전시키고, 이로 인해 제 1 및 제 4 스위치가 모두 방전되어 제 1 및 제 4 스위치에 걸리는 전압이 '0' 이 되면, 제 1 및 제 4 스위치의 바디 다이오드로 전류가 흐름으로써 영전압 스위칭(ZVS) 조건이 달성될 수 있다. 이때, 제 1 자화전류 의 기울기값은 아래 수학식 13 을 따른다.Specifically, in the first operation mode [ ], The second switch and the third switch are connected at t = Lt; RTI ID = 0.0 > (ZCS) < / RTI > When the second and third switches are turned off, the primary side current of the hybrid full bridge LLC converter ( ) Discharges the output capacitors of the first and fourth switches. When the first and fourth switches are discharged and the voltage applied to the first and fourth switches is '0', the first and fourth switches ZVS conditions can be achieved by allowing current to flow through the body diode of the switch. At this time, the first magnetizing current The following equation (13) is satisfied.
[수학식 13]&Quot; (13) "
이후, 제 2 동작 모드[]에서는, 먼저 제 1 및 제 4 스위치가 t=에서 영전압 스위칭 조건 하에 턴온된다. 또한, 제 1 누설 인덕턴스() 및 제 1 컨덕턴스(Cr1)로 구성된 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터의 공진 탱크가 공진하기 시작하고 이로 인해 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터의 일차측 전류()는 아래 수학식 14 와 같이 나타낼 수 있다.Thereafter, the second operation mode [ ], First, the first and fourth switches are turned on at t = Lt; / RTI > under zero voltage switching conditions. Also, the first leakage inductance ( ) And the first conductance ( Cl1 ) of the first full bridge LLC converter begin to resonate and thereby cause the primary side current of the first full bridge LLC converter ) Can be expressed by the following equation (14).
[수학식 14]&Quot; (14) "
여기서, 는 각스위칭 주파수()에서의 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터의 입력 임피던스이고, 는 전압 의 기본 주파수 성분에 대한 1차측 전류의 위상각이다. here, () ≪ / RTI > ) Is the input impedance of the first full bridge LLC converter, The voltage Is the phase angle of the primary side current to the fundamental frequency component of the primary side.
또한, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 제 2 자화 인덕턴스(), 제 2 누설 인덕턴스(Llk2), 제 2 커패시턴스()로 구성된 공진 탱크도 동시에 공진하기 시작하며, 이때 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 일차측 전류()는 아래 수학식 15 와 같이 나타낼 수 있다. Also, the second magnetizing inductance of the second full bridge LLC converter ( ), A second leakage inductance (L lk2 ), a second capacitance Resonant tank begins to resonate at the same time, where the primary side current of the second full bridge LLC converter ) Can be expressed by the following equation (15).
[수학식 15]&Quot; (15) "
여기서, 는 각스위칭 주파수()에서의 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 입력 임피던스이고, 는 전압 의 N번째 성분에 대한 N번째 1차측 전류의 위상각이다. here, () ≪ / RTI > ) Is the input impedance of the second full bridge LLC converter, The voltage Of the Nth primary current of the Nth component of the Nth primary current.
한편, 이러한 제 1 및 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 일차측 전류(,)의 합은 도 8 에 도시된 바와 같이, 일차측 스위칭부의 전류값()과 같다. 즉, 제 1 스위치 내지 제 4 스위치의 턴온 또는 턴오프 동작에 따라 스위칭부에 흐르는 전류는 제 1 및 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 1차측으로 흐르는 것이다. On the other hand, the primary side current (< RTI ID = 0.0 > , ) Is calculated by multiplying the current value of the primary side switching unit ( ). That is, the currents flowing in the switching unit according to the turn-on or turn-off operations of the first to fourth switches flow to the primary side of the first and second full bridge LLC converters.
제 3 동작 모드[]에서는, 에서 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 일차측 전류의 크기값이 제 2 변압기의 자화 전류의 크기값과 같아진다. 이로 인해 제 2 변압기에 의한 파워 변환이 종료되고, 제 5 다이오드가 영전류 스위칭(ZCS) 조건하에 턴 오프될 수 있다. 또한, 제 3 동작 모드 상에서는, 제 1 및 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 일차측 전류가 상술한 수학식 14 및 수학식 15 에 따르므로, 제 2 자화 전류() 값은 아래 수학식 16 과 같이 표현될 수 있다. Third operating mode [ ], The magnitude value of the primary side current of the second full bridge LLC converter becomes equal to the magnitude value of the magnetizing current of the second transformer. This causes the power conversion by the second transformer to be terminated, and the fifth diode can be turned off under the zero current switching (ZCS) condition. Further, in the third operation mode, since the primary side currents of the first and second full bridge LLC converters are according to the above-described expressions (14) and (15), the second magnetization current ) Can be expressed by Equation (16) below.
[수학식 16]&Quot; (16) "
제 4 동작 모드[]에서는, 에서 제 1 및 제 4 스위치가 거의 영전류 스위칭(ZCS) 조건하에 턴오프될 수 있고, 제 1 다이오드가 영전류 스위칭(ZCS) 조건 하에 턴 오프될 수 있다. Fourth operation mode [ ], The first and fourth switches can be turned off under substantially zero current switching (ZCS) conditions and the first diode can be turned off under zero current switching (ZCS) conditions.
한편, 도 8 은 본 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 스위칭 사이클의 반주기의 동작방법을 설명하였으나, 그 이후 주기의 동작방법은 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다. Meanwhile, FIG. 8 illustrates a half-period operation method of the switching cycle of the hybrid full-bridge LLC converter according to the present embodiment. Since the operation method of the half period of the switching cycle is the same, description thereof will be omitted.
이하에서는, 도 4, 도 6 및 도 9 를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 구현방법에 대해 설명한다.Hereinafter, a method of implementing a hybrid full-bridge LLC converter according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4, 6, and 9. FIG.
도 9 는 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 공진 탱크를 설계하는 구체적 방법이 도시된 순서도이다.9 is a flowchart showing a specific method of designing a resonance tank of a hybrid full-bridge LLC converter.
도 9 를 참조하면, 먼저, 제 2 자화 인덕턴스() 값을 결정(410)한다. CC 모드상에서, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터는 제 2 공진 주파수() 상에서 동작하고 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 임피던스는 스위칭 주파수 에서 '0' 이 되므로, 아래 수학식 17 이 도출될 수 있다.Referring to FIG. 9, first, the second magnetization inductance ( (410). In CC mode, the second full bridge LLC converter has a second resonant frequency (< RTI ID = 0.0 > ) And the impedance of the second full bridge LLC converter is on the
[수학식 17]&Quot; (17) "
이러한 수학식 17 과 앞서 상술한 CC 모드 및 CV 모드상의 AC 등가회로에서 도출된 관계식(수학식 8, =, 수학식 11)을 통해 최종적으로 제 2 자화 인덕턴스() 값이 아래 수학식 18 과 같이 도출될 수 있다.Equations (17) and (18) derived from the equation (17) and the AC equivalent circuit on the CC mode and the CV mode, = (11), the second magnetizing inductance ( ) Can be derived as shown in Equation (18) below.
[수학식 18]&Quot; (18) "
제 2 자화 인덕턴스() 값이 결정되면(410), 제 2 누설 인덕턴스 값()을 결정한다(420). 이때, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 1차측 전류()의 RMS 값이 제 2 누설 인덕턴스 값 ()에 의존하는 특성을 이용하여 제 2 누설 인덕턴스 값()이 결정될 수 있다. Second Magnetization Inductance ( (410), a second leakage inductance value (< RTI ID = 0.0 > (420). At this time, the primary current of the second full bridge LLC converter ( ) Is the second leakage inductance value ( ), A second leakage inductance value (< RTI ID = 0.0 > ) Can be determined.
구체적으로, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 1차측 전류의 RMS 값()은 아래 수학식 19 와 같다.Specifically, the RMS value of the primary side current of the second full bridge LLC converter ( ) ≪ / RTI >
[수학식 19]&Quot; (19) "
한편, 수학식 19 에 따르면, 1차측 전류의 RMS 값()의 크기는 제 2 풀브릿지 입력 임피던스의 크기에 의존하며, 이때 각스위칭 주파수() 에서의 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 입력 임피던스()는 아래 수학식 20으로 나타낼 수 있다.On the other hand, according to equation (19), the RMS value of the primary side current ) Is dependent on the magnitude of the second full bridge input impedance, where each switching frequency (< RTI ID = 0.0 > ) Input impedance of the second full bridge LLC converter at ( ) Can be expressed by the following equation (20).
[수학식 20]&Quot; (20) "
여기서, 이다.here, to be.
한편, 제 2 공진 커패시턴스 값()이 제 2 공진 주파수() 상에서 로 나타낼 수 있으므로, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 입력 임피던스() 는 아래 수학식 21 에 따른다. On the other hand, the second resonance capacitance value ) Is the second resonant frequency ( ) The input impedance of the second full bridge LLC converter ( ) ≪ / RTI >
[수학식 21]&Quot; (21) "
수학식 21 에 따르면, 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 입력 임피던스() 는 부하 임피던스가 설정되면 제 2 누설 인덕턴스()와 제 2 자화 인덕턴스()에 의존함을 알 수 있다. 또한, 제 2 자화 인덕턴스()는 수학식 18 에 따르므로, 1차측 전류의 RMS 값()의 크기는 제 2 누설 인덕턴스()에 의존하게 된다. 이러한 1차측 전류의 RMS 값의 크기와 제 2 자화 인덕턴스의 관계는 도 10 과 같다. 도 10 은 일정 조건( , and ) 하에서의 1차측 전류의 RMS 값의 크기와 제 2 누설 인덕턴스()의 관계를 도시한 도면으로서, 도 10 에 따르면, 1차측 전류의 RMS 값의 크기와 제 2 누설 인덕턴스()는 서로 반비례한 관계를 갖음을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는, 제 2 누설 인덕턴스() 값을 최대한 크게 설계하여 1차측 전류의 RMS 값의 크기를 최소로 설계하며, 이로 인해 1차측에 접속된 스위칭부의 컨덕션 로스를 줄일 수 있다. 예컨대, 제 2 누설 인덕턴스 값이 120 로 설계되면, 1차측 전류의 RMS 값의 크기가 5.5 A 이하로 줄일 수 있다. According to equation (21), the input impedance of the second full bridge LLC converter ( Is set to a second leakage inductance (< RTI ID = 0.0 > ) And the second magnetizing inductance ( ). ≪ / RTI > Also, the second magnetizing inductance ( ) Is given by Equation (18), the RMS value of the primary side current ) Is the second leakage inductance ( ). The relationship between the magnitude of the RMS value of the primary side current and the second magnetization inductance is shown in FIG. Fig. , and The magnitude of the RMS value of the primary side current and the second leakage inductance ( 10, the magnitude of the RMS value of the primary current and the magnitude of the second leakage inductance ( ) Are inversely proportional to each other. Therefore, in this embodiment, the second leakage inductance ( ) Value is designed to be as large as possible to minimize the RMS value of the primary side current, thereby reducing the conduction loss of the switching part connected to the primary side. For example, if the second leakage inductance value is 120 , The RMS value of the primary current can be reduced to 5.5 A or less.
이렇게 제 2 누설 인덕턴스 값이 결정(420)된 이후에는, 제 2 공진 커패시턴스() 값이 결정된다(430). 이러한 제 2 공진 커패시턴스() 값은 상술한 수학식 6 으로부터 아래 수학식 22 와 같이 도출될 수 있다.After the second leakage inductance value is thus determined 420, the second resonant capacitance ( ) Value is determined (430). This second resonant capacitance ( ) Can be derived from Equation (6) as shown in Equation (22) below.
[수학식 22] &Quot; (22) "
제 2 공진 커패시턴스() 값이 결정되면(430), 제 3 공진 커패시턴스() 값이 결정된다(440). 구체적으로, 제 3 공진 커패시턴스() 값은 상술한 수학식 10 으로부터 아래 수학식 23 과 같이 도출될 수 있다.The second resonant capacitance ( (430), a third resonant capacitance (< RTI ID = 0.0 > ) Is determined (440). Specifically, the third resonant capacitance ( ) Can be derived from Equation (10) as shown in Equation (23) below.
[수학식 23]&Quot; (23) "
제 3 공진 커패시턴스() 값이 결정되면(440), 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 공진 탱크 설계가 완료되고, 이후에서는 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터의 공진 탱크가 설계된다. 구체적으로, 제 1 누설 인덕턴스 값()을 결정한다(450). 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터는 항상 제 1 공진 주파수(fr1 _ LLC1) 상에서 동작하고 자화 전류가 1차측 스위칭부의 출력 커패시터를 방전시키므로 제 1 누설 인덕턴스 값은 특별한 조건을 필요로 하지는 않는다. 그러나, 제 1 공진 커패시터() 상에 인가되는 전압 스트레스를 줄이기 위해 바람직하게는, 제 1 누설 인덕턴스() 값이 최소화되도록 설계될 수 있다. The third resonant capacitance ( Is determined (440), the resonant tank design of the second full-bridge LLC converter is completed, and thereafter, the resonant tank of the first full-bridge LLC converter is designed. Specifically, the first leakage inductance value ( (450). A first full bridge LLC converter is always the first resonant frequency because the operation, and the magnetizing current is discharged to the primary side switching part on the output capacitor (f r1 _ LLC1) first leakage inductance does not require any special conditions. However, the first resonant capacitor ( , A first leakage inductance (< RTI ID = 0.0 > ) Values can be minimized.
이후에는, 제 1 공진 커패시턴스 값()이 결정(460)될 수 있다. 이러한 제 1 공진 커패시턴스 값()은 이전 단계의 제 1 누설 인덕턴스 값()이 결정되면, 아래 수학식 24 와 같이 도출될 수 있다.Thereafter, the first resonance capacitance value ( (460). ≪ / RTI > This first resonant capacitance value ( ) Is the first leakage inductance value of the previous step ( ) Is determined, it can be derived as the following Equation (24).
[수학식 24]&Quot; (24) "
제 1 공진 커패시턴스 값()이 결정되면(460), 마지막으로 제 1 자화 인덕턴스 값()이 결정(470)될 수 있다. 한편, CC 모드 상에서 제 1 및 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터는 영전압 스위칭(ZVS) 및 영전류 스위칭(ZCS) 영역상에서 각각 동작하여야 한다. 특히, 전체 부하 영역에서 스위치 턴 온 및 턴오프 시 소프트한 스위칭이 보장되려면 제 1 및 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터가 모두 영전압 스위칭이 되어야 한다. 이하에서는, 이러한 1차측 스위칭부의 영전압 스위칭 및 거의 영전류 스위칭을 보장하기 위한, 제 1 자화 인덕턴스() 값의 도출과정을 설명한다. The first resonant capacitance value ( Is determined (460), finally, the first magnetizing inductance value ( (470). ≪ / RTI > Meanwhile, in the CC mode, the first and second full bridge LLC converters must operate in the zero voltage switching (ZVS) and the zero current switching (ZCS) regions, respectively. In particular, to ensure soft switching during switch turn-on and turn-off in the full load range, both the first and second full bridge LLC converters must be at zero voltage switching. Hereinafter, a first magnetizing inductance (hereinafter referred to as " first magnetizing inductance " ) Value is described.
먼저, 스위칭부의 영전압 스위칭은, 스위칭부에 저장된 유도성 에너지()가 스위칭부의 출력 커패시터에 저장된 용량성 에너지()보다 클 때에 달성될 수 있으므로, 영전압 스위칭(ZVS)을 위해 아래 수학식 25 와 같은 관계식이 도출될 수 있다.First, the zero voltage switching of the switching unit is performed by the inductive energy stored in the switching unit ) Is the capacitive energy stored in the output capacitor of the switching unit (ZVS), a relation as shown in the following Equation 25 can be derived.
[수학식 25]&Quot; (25) "
한편, 1차측 스위칭부에 저장된 전체 유도성 에너지()는 아래 수학식 26 과 같다.On the other hand, the total inductive energy stored in the primary-side switching unit ) ≪ / RTI >
[수학식 26]&Quot; (26) "
여기서, , , , , 는 전압 에 대한 일차측 전압()의 위상각이다. here, , , , , The voltage The primary side voltage ( ).
또한, 1차측 스위칭부의 출력 커패시터 한쌍에 저장된 용량성 에너지() 는 아래 수학식 27 과 같이 도출된다. Also, the capacitive energy stored in a pair of output capacitors of the primary- ) Is derived as shown in Equation (27) below.
[수학식 27]&Quot; (27) "
이렇게 상술한 수학식 25 내지 27 을 통해 아래 수학식 28 과 같은 관계식이 도출될 수 있다. Equations (25) through (27) can be used to derive the following equation (28).
[수학식 28]&Quot; (28) "
한편, 1차측 스위칭부의 턴 오프 전류를 최소로 하기 위해, 제 1 자화 인덕턴스() 값은 거의 영전류 스위칭(ZCS)을 달성하도록 가능한 한 크게 설계될 수 있다. 구체적으로, 제 1 자화 인덕턴스() 값은 수학식 28 및 아래 수학식 29 의 조건을 만족하도록 설계될 수 있다.On the other hand, in order to minimize the turn-off current of the primary side switching unit, the first magnetizing inductance ( ) Values can be designed as large as possible to achieve near zero current switching (ZCS). Specifically, the first magnetizing inductance ( ) Value can be designed to satisfy the condition of the expression (28) and the expression (29) below.
[수학식 29]&Quot; (29) "
또한, CC 모드 상에서 풀-소프트 스위칭 컨디션이 보장되도록, 입력 임피던스 값이 아래 수학식 30 에 따르도록 설정될 수 있다.Further, the input impedance value may be set to satisfy Equation 30 below so that a full-soft switching condition is ensured in the CC mode.
[수학식 30] &Quot; (30) "
여기서, 는 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터의 입력 임피던스이고, 는 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 입력 임피던스이며, 각 입력 임피던스는 아래 수학식 31 에 따른다.here, Is the input impedance of the first full bridge LLC converter, Is the input impedance of the second full bridge LLC converter, and each input impedance is given by Equation (31) below.
[수학식 31]&Quot; (31) "
여기서, 및 는 제 1 및 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터의 반사된 부하 레지스턴스값이고, 각각은 아래 수학식 32 에 따른다.here, And Is the reflected load resistance value of the first and second full bridge LLC converters, respectively, according to Equation (32) below.
[수학식 32](32)
도 11 은 도 9 에 따른 공진탱크 설계방법에 따라 설계된 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 배터리 임피던스의 변화에 따른 입력 임피던스 특성(입력 입피던스의 위상은 도 11 의 (a) 이고, 입력 임피던스의 크기는 도 11 의 (b) 참조)을 도시한 도면이다. 도 11 에 따르면, 배터리 임피던스(Ro)의 큰 변화에도 불구하고 스위칭 주파수 값에서 입력 임피던스의 위상의 변화는 약 3~8°에 불과하므로, CC 모드상에서의 모든 1차측에 마련된 스위치가 영전압 스위칭 및 거의 영전류 스위칭이 달성될 수 있음을 알 수 있다. Fig. 11 is a graph showing the input impedance characteristics (the phase of the input / output impedance is shown in Fig. 11 (a) and the magnitude of the input impedance is (See Fig. 11 (b)). 11, since the change of the phase of the input impedance at the switching frequency value is only about 3 to 8 degrees in spite of a large change in the battery impedance R o , Switching and nearly zero current switching can be achieved.
본 발명에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터는 공진탱크의 적절한 설계가 이루어진다면 CC 모드 및 CV 모드 상에서 고정된 스위칭 주파수와 풀-소프트 스위칭 컨디션을 보장할 수 있다. 그러나, 이러한 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 특성은 입력 전압이 항상 상수일 경우에 보장될 수 있을 뿐이므로, 실제 입력 전압이 ±5% 범위내의 변동이 있다는 점을 고려하면 완벽한 공진 컨디션이 보장될 수 없을 것이다. 따라서, 도 12 에 도시된 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터는 별도의 컨트롤러를 더 포함하여 입력 전압이 변동되어도 공진 컨디션을 보장할 수 있다.The hybrid full bridge LLC converter according to the present invention can ensure a fixed switching frequency and a full-soft switching condition on the CC mode and the CV mode, provided that a proper design of the resonance tank is made. However, the characteristics of such a hybrid full bridge LLC converter can only be guaranteed when the input voltage is always constant. Therefore, perfect resonance conditions can not be guaranteed when the actual input voltage fluctuates within a range of ± 5% will be. Therefore, the hybrid full bridge LLC converter shown in FIG. 12 further includes a separate controller to ensure resonance condition even if the input voltage fluctuates.
도 12 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 회로도이다. 12 is a circuit diagram of a hybrid full-bridge LLC converter according to another embodiment of the present invention.
도 12 를 참조하면, 본 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터(2000) 는 도 2 에 도시된 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터(1000)와 달리, 폐쇄 루프 컨트롤러(400)를 더 포함한다. 이러한 폐쇄 루프 컨트롤러(400)는 CC 모드 및 CV 모드 충전 작동을 적절하게 수행하는 구성으로서, PI 컨트롤러(410), CC 모드 또는 CV 모드를 선택하는 모드 선택 스위치(420), 제한기(미도시) 및 제한기에 의해 유발되는 오버슈트와 전이시간을 감쇄시키는 안티-와인드업(430)을 포함한다. 이러한 폐쇄 루프 컨트롤러(400)는 배터리 전압이 최대 충전 전압(예컨대, 420V) 보다 작을 경우 전류 제어기를 활성화시켜 상수 전류로 배터리를 충전시키도록 제어하고, 배터리 전압이 최대 충전 전압에 도달하면 CV 모드로 전환시켜 전압 제어기를 활성화시킬 수 있다. 기타 다른 구성은 도 2 에 도시된 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터(1000)와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략한다. Referring to FIG. 12, the hybrid full
이하에서는, 도 13 내지 24 를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 유리한 효과에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, advantageous effects of the hybrid full-bridge LLC converter according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 13 to 24. FIG.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 동작 특성을 확인하고, 그 효과를 확인하기 위해 아래 표 2 및 표 3 과 같은 사양의 컨버터를 설계하였으며, 3.3Kw 의 배터리 충전기에 적용하였다.First, to verify the operation characteristics of the hybrid full bridge LLC converter according to an embodiment of the present invention, a converter having the specifications as shown in Tables 2 and 3 was designed and applied to a battery charger of 3.3 Kw Respectively.
지금부터 이와 같은 사양을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터가 CC 모드로 동작하는 경우 동작특성과 그 효과에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the operation characteristics and effects of the hybrid full bridge LLC converter operating in the CC mode according to an embodiment of the present invention having such specifications will be described.
도 13 내지 도 18 은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터가 CC 모드로 동작하는 경우 각 소자에서 나타나는 파형의 일 예이다. FIGS. 13 to 18 are examples of waveforms in the respective devices when the hybrid full-bridge LLC converter operates in the CC mode according to an embodiment of the present invention.
여기에서, 입력전압() 는 400V, 출력 전압()는 250V, 출력 전력()은 1.95kW, 출력 전류()는 7.8A, 스위칭 주파수()는 50kHz 이다. Here, the input voltage ( ) Is 400V, the output voltage ( ) Is 250V, output power ( ) Is 1.95kW, the output current ( ) Is 7.8 A, the switching frequency ( ) Is 50 kHz.
도 13 을 참조하면, 1차측 스위칭부의 제 1 스위치(S1) 에 흐르는 전류 및 전압을 확인할 수 있다. 이때, 1차측 스위칭부의 제 1 스위치 내지 제 4 스위치에서 모두 도 13 과 같은 양상의 전류 및 전압이 측정될 수 있다. 따라서, 도 13 에 따르면 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터가 CC 모드로 동작하는 경우, 1차측 스위칭부의 제 1 스위치 내지 제 4 스위치는 영전압 스위칭(ZVS) 조건하에서의 턴온이 가능하고, 거의 영전류 스위칭(ZCS) 조건 하에서의 턴오프를 달성할 수 있음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 13, current and voltage flowing in the first switch S1 of the primary side switching unit can be checked. At this time, the current and voltage in the same manner as in Fig. 13 can be measured in the first switch to the fourth switch of the primary side switching unit. 13, when the hybrid full bridge LLC converter operates in the CC mode according to an embodiment of the present invention, the first to fourth switches of the primary side switching unit can be turned on under the zero voltage switching (ZVS) condition , And can be turned off under almost zero current switching (ZCS) conditions.
도 14 및 도 15 는 제 1 변압기와 제 2 변압기의 1차측 및 2차측의 전류 및 전압 특성을 도시한 도면이다. 도 14 및 도 15 에 따르면, 1차측 전류의 RMS 값()이 5A 이고 제 2 변압기(TR2)의 누설 인덕턴스()가 128 인 점(표 3 참조)을 고려할 때, 1차측 전류의 RMS 값()이 효과적으로 억제되었음을 알 수 있다. Figs. 14 and 15 show current and voltage characteristics of the primary and secondary sides of the first transformer and the second transformer. Fig. 14 and 15, the RMS value of the primary side current ( ) Is 5A and the leakage inductance of the second transformer TR 2 ( ) Is 128 (See Table 3), the RMS value of the primary current ( ) Was effectively suppressed.
도 16 은 제 1 다이오드 내지 제 5 다이오드의 전류 전압 특성을 도시한 도면으로서, 도 16 에 따르면, 2차측에 연결되는 정류기 다이오드들의 영전류 턴오프가 달성되고 역방향 회복이 없음을 알 수 있다.FIG. 16 shows the current-voltage characteristics of the first to fifth diodes. According to FIG. 16, it can be seen that the zero current turn-off of the rectifier diodes connected to the secondary side is achieved and there is no reverse recovery.
도 17 은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 출력 전류 및 전압의 특성을 도시한 도면이고, 도 18 은 CC 모드 상에서 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 효율도를 도시한 도면이다. 도 17 및 도 18 에 따르면, 본 실시예에 따른 소프트 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터는 소프트 스위칭 특성을 갖음으로 인해 종래의 컨버터보다 높은 효율을 갖으며, 최대 효율치로서 98% 를 달성할 수 있음을 알 수 있다. FIG. 17 is a graph showing characteristics of output current and voltage of a hybrid full-bridge LLC converter according to an embodiment of the present invention, and FIG. 18 is a graph showing characteristics of efficiency of a hybrid full bridge LLC converter according to an embodiment of the present invention, Fig. 17 and 18, the soft hybrid full bridge LLC converter according to the present embodiment has higher efficiency than the conventional converter due to its soft switching characteristic and can achieve 98% as the maximum efficiency value .
이하에서는, 도 19 내지 도 24 를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터가 CV 모드로 동작하는 경우 동작특성과 그 효과에 대하여 설명한다.Hereinafter, the operation characteristics and effects of the hybrid full bridge LLC converter operating in the CV mode will be described with reference to FIGS. 19 to 24. FIG.
도 19 및 도 20 은 1차측 스위칭부의 제 1 스위치(S1) 의 경부하 및 중부하 조건에서의 전류 및 전압 파형을 도시한 도면이다. 도 19 및 도 20 에 따르면, 제 1 스위치가 영전압 스위칭(ZVS) 조건하에서 턴 온이 가능하나, 턴 오프 전류가 다소 큰 점을 알 수 있다. Figs. 19 and 20 are diagrams showing current and voltage waveforms at the light-load and heavy-load conditions of the first switch S1 of the primary-side switching unit. Fig. According to Figs. 19 and 20, it can be seen that although the first switch can be turned on under the zero voltage switching (ZVS) condition, the turn-off current is somewhat large.
도 21 은 CV 모드에서의 제 1 변압기 및 제 2 변압기의 일차측 전압 및 전류 특성을 도시한 도면으로서, 도 21 에 따르면, 제 1 변압기 및 제 2 변압기를 포함한 제 1 및 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터는 완벽한 공진 상태에서 동작함을 알 수 있다. Fig. 21 is a diagram showing the primary side voltage and current characteristics of the first transformer and the second transformer in the CV mode. According to Fig. 21, the first and second full bridge LLC converters including the first transformer and the second transformer It can be seen that it operates in a perfect resonance state.
도 22 는 제 1 다이오드 내지 제 5 다이오드의 전압 및 전류 특성을 도시한 도면으로서, 도 22 에 따르면, 정류기 측의 다이오드들이 영전류 스위칭(ZCS) 조건하에서 턴오프되고, 결과적으로 역방향 회복으로 인한 로스가 발생하지 않음을 알 수 있다. 22 shows the voltage and current characteristics of the first to fifth diodes. According to Fig. 22, the diodes on the rectifier side are turned off under the ZCS (Zero Current Switching) condition, and as a result, Is not generated.
도 23 은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 출력 전류 및 출력 전압의 특성을 도시한 도면이고, 도 24 는 CV 모드상에서의 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 효율을 도시한 도면이다. 이러한 도 23 및 도 24 에 따르면, CV 모드상에서의 본 발명에 따른 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터는 종래의 LLC 컨버터에 비해 높은 효율을 갖으며, 최대 97% 의 효율을 갖음을 알 수 있다. FIG. 23 is a graph showing characteristics of output current and output voltage of a hybrid full-bridge LLC converter according to an embodiment of the present invention, and FIG. 24 is a diagram illustrating efficiency of a hybrid full-bridge LLC converter in a CV mode. 23 and 24, it can be seen that the hybrid full bridge LLC converter according to the present invention in the CV mode has a higher efficiency than the conventional LLC converter and has a maximum efficiency of 97%.
상술한 본 발명에 따르면, CC 모드에서 영전압 스위칭과 거의 영전류 스위칭 조건하에서 주요 스위칭 동작이 가능하며, CV 모드에서 영전압 스위칭 조건하에서 주요 스위칭 동작이 가능하다. 또한, 공진 탱크를 변환하기 위해 단 하나의 추가적인 스위치만을 부가함으로써 이와 관련한 스위칭 로스가 발생되지 않는다. 또한, CC 모드 및 CV 모드에서 모두 고정된 공진 주파수 상에서 동작하므로, 낮은 순환 에너지가 발생된다. 또한, CC 모드 및 CV 모드 상의 공진 동작으로 정류기 다이오드에 대해 완벽한 소프트-스위칭을 가능하게 하고, 이로 인해 역보상 문제가 발생되지 않을 수 있다. 또한, 두 개의 변환기와 두 개의 정류 브릿지가 직렬로 연결됨으로써 정류 다이오드의 높은 전압 이득과 낮은 전압 레이트가 제공될 수 있다.According to the present invention described above, the main switching operation is possible under the zero voltage switching and almost zero current switching conditions in the CC mode, and the main switching operation is possible under the zero voltage switching condition in the CV mode. In addition, only one additional switch is added to convert the resonant tank so that switching losses associated with this are not generated. Further, since both the CC mode and the CV mode operate on a fixed resonance frequency, low circulating energy is generated. In addition, resonant operation over the CC mode and CV mode allows full soft-switching to the rectifier diodes, which may not result in reverse compensation problems. In addition, two converters and two rectifying bridges can be connected in series to provide a high voltage gain and a low voltage rate of the rectifier diode.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, You will understand. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.
1000: 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터
100: 제 1 풀브릿지 LLC 컨버터
200: 제 2 풀브릿지 LLC 컨버터
300: 스위칭부1000: Hybrid Full Bridge LLC Converter
100: First Full Bridge LLC Converter
200: 2nd Full Bridge LLC Converter
300:
Claims (14)
상기 입력 커패시터와 연결되고 제1 스위치 내지 제4 스위치가 마련된 풀브릿지 회로를 포함하는 스위칭부;
상기 스위칭부와 연결되어 상기 스위칭부를 통해 전달되는 상기 입력 전압을 변환하는 제1 변압기, 상기 제1 변압기를 통해 변환된 입력 전압을 전달받아 정류하는 제1 정류 회로 및 상기 제1 정류 회로와 연결되는 제1 출력 커패시터를 포함하는 제1 풀브릿지 LLC 컨버터; 및
상기 스위칭부와 연결되어 상기 스위칭부를 통해 전달되는 상기 입력 전압을 변환하는 제2 변압기, 상기 제2 변압기를 통해 변환된 입력 전압을 전달받아 정류하는 제2 정류 회로 및 상기 제2 정류 회로와 연결되는 제2 출력 커패시터를 포함하는 제2 풀브릿지 LLC 컨버터를 포함하는 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터.A hybrid full bridge LLC converter for performing voltage conversion between an input capacitor for supplying an input voltage and a battery and operating in a constant current mode or a constant voltage mode for charging the battery,
A switching unit connected to the input capacitor and including a full bridge circuit having first to fourth switches;
A first transformer connected to the switching unit to convert the input voltage transmitted through the switching unit, a first rectifier circuit receiving and converting the input voltage converted through the first transformer, and a second rectifier circuit connected to the first rectifier circuit A first full bridge LLC converter including a first output capacitor; And
A second transformer connected to the switching unit to convert the input voltage transmitted through the switching unit, a second rectifier circuit receiving and converting the input voltage converted through the second transformer, and a second rectifier circuit connected to the second rectifier circuit A second full bridge LLC converter including a second output capacitor.
상기 제1 풀브릿지 LLC 컨버터는,
공진 네트워크를 형성할 수 있도록 상기 제1 변압기의 1차측에 제1 누설 인덕터, 제1 자화 인덕터 및 제1 공진 커패시터가 마련되는 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터.The method according to claim 1,
The first full bridge LLC converter includes:
A first leakage inductor, a first magnetizing inductor and a first resonating capacitor are provided on a primary side of the first transformer so as to form a resonant network.
상기 제2 풀브릿지 LLC 컨버터는,
공진 네트워크를 형성할 수 있도록 상기 제2 변압기의 1차측에 제2 누설 인덕터, 제2 자화 인덕터 및 CC 모드 커패시터가 마련되고, 상기 CC 모드 커패시터는 직렬로 연결된 CV 모드 커패시터 및 모드 스위치와 병렬 연결되는 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터.3. The method of claim 2,
Wherein the second full bridge LLC converter comprises:
A second leakage inductor, a second magnetizing inductor and a CC mode capacitor are provided on a primary side of the second transformer so as to form a resonant network, and the CC mode capacitor is connected in parallel with a CV mode capacitor and a mode switch connected in series Hybrid Full Bridge LLC Converter.
상기 제2 풀브릿지 LLC 컨버터는,
상기 CC 모드로 동작 시, 상기 모드 스위치의 턴오프 상태를 유지하고, 상기 CV 모드로 동작 시, 상기 모드 스위치의 턴온 상태를 유지하여 상기 CC 모드와 상기 CV 모드 간에 공진 네트워크 조건을 변화시키는 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터.The method of claim 3,
Wherein the second full bridge LLC converter comprises:
A hybrid pool which maintains a turn-off state of the mode switch when operating in the CC mode and maintains a turn-on state of the mode switch when operating in the CV mode to change a resonant network condition between the CC mode and the CV mode; Bridge LLC Converter.
상기 제1 출력 커패시터 및 상기 제2 출력 커패시터는 직렬 연결되고, 직렬 연결된 상기 제1 출력 커패시터 및 상기 제2 출력 커패시터는 상기 배터리와 병렬 연결되는 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터.The method according to claim 1,
Wherein the first output capacitor and the second output capacitor are connected in series and the first output capacitor and the second output capacitor connected in series are connected in parallel with the battery.
상기 스위칭부는,
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 마련되는 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터.The method according to claim 1,
The switching unit includes:
A first leg and a second leg connected in parallel,
Wherein the first switch and the second switch are provided on the first leg and the third switch and the fourth switch are provided on the second leg.
상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치는 각각 기생 커패시터 및 바디 다이오드가 병렬로 연결되어 부가된 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터.The method according to claim 1,
Wherein the first switch to the fourth switch are respectively connected in parallel with parasitic capacitors and body diodes.
상기 제1 정류 회로는,
병렬로 연결된 제3 레그 및 제4 레그를 포함하고,
상기 제3 레그 상에는 제1 다이오드 및 제3 다이오드가 마련되고, 상기 제4 레그 상에는 제2 다이오드 및 제4 다이오드가 마련되는 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터.The method according to claim 1,
Wherein the first rectifying circuit includes:
A third leg and a fourth leg connected in parallel,
A first diode and a third diode are provided on the third leg, and a second diode and a fourth diode are provided on the fourth leg.
상기 제2 정류 회로는,
병렬로 연결된 제5 레그 및 제6 레그를 포함하고,
상기 제5 레그 상에는 제5 다이오드 및 제7 다이오드가 마련되고, 상기 제6 레그 상에는 제6 다이오드 및 제8 다이오드가 마련되는 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터.The method according to claim 1,
Wherein the second rectifying circuit comprises:
A fifth leg and a sixth leg connected in parallel,
A fifth diode and a seventh diode are provided on the fifth leg, and a sixth diode and an eighth diode are provided on the sixth leg.
상기 제1 풀브릿지 LLC 컨버터는,
상기 CC 모드 및 상기 CV 모드로 동작 시 모두 동일한 공진 네트워크 조건 하에서 전압 변환을 수행하여 상기 입력 전압을 상기 배터리로 전달하고,
상기 제2 풀브릿지 LLC 컨버터는,
상기 CC 모드와 상기 CV 모드 간에 서로 다른 공진 네트워크 조건 하에서 전압 변환을 수행하여 상기 입력 전압을 상기 배터리로 전달하는 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 구동방법.The battery pack is operated in accordance with a constant current (CC) mode or a constant voltage (CV) mode for charging the battery between an input capacitor for supplying an input voltage and a battery, A method of driving a hybrid full-bridge LLC converter including a first full-bridge LLC converter and a second full-bridge LLC converter sharing a switching unit constituted by a full bridge circuit of a switch as a primary circuit,
The first full bridge LLC converter includes:
The voltage conversion is performed under the same resonance network conditions in the CC mode and the CV mode to transmit the input voltage to the battery,
Wherein the second full bridge LLC converter comprises:
And transferring the input voltage to the battery by performing voltage conversion between the CC mode and the CV mode under different resonant network conditions.
상기 제1 풀브릿지 LLC 컨버터는,
1차측 회로와 2차측 회로 사이에서 전압 변환을 수행하는 제1 변압기를 포함하고, 공진 네트워크를 형성할 수 있도록 상기 제1 변압기의 1차측에 제1 누설 인덕터, 제1 자화 인덕터 및 제1 공진 커패시터가 마련되어, 상기 CC 모드 및 상기 CV 모드로 동작 시 모두 동일한 공진 네트워크 조건 하에서 전압 변환을 수행하는 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 구동방법.11. The method of claim 10,
The first full bridge LLC converter includes:
And a first transformer for performing a voltage conversion between the primary side circuit and the secondary side circuit, wherein a first leakage inductor, a first magnetizing inductor, and a first resonance capacitor are provided on a primary side of the first transformer so as to form a resonance network, And performing voltage conversion under the same resonant network conditions when operating in the CC mode and the CV mode.
상기 제2 풀브릿지 LLC 컨버터는,
1차측 회로와 2차측 회로 사이에서 전압 변환을 수행하는 제2 변압기를 포함하고, 공진 네트워크를 형성할 수 있도록 상기 제2 변압기의 1차측에 제2 누설 인덕터, 제2 자화 인덕터 및 CC 모드 커패시터가 마련되고, 상기 CC 모드 커패시터는 직렬로 연결된 CV 모드 커패시터 및 모드 스위치와 병렬 연결되어, 상기 모드 스위치의 스위칭 동작에 따라 상기 CC 모드와 상기 CV 모드 간에 서로 다른 공진 네트워크 조건 하에서 전압 변환을 수행하는 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 구동방법.11. The method of claim 10,
Wherein the second full bridge LLC converter comprises:
A second leakage inductor, a second magnetizing inductor and a CC mode capacitor are connected to the primary side of the second transformer so as to form a resonant network, and a second transformer for performing a voltage conversion between the primary side circuit and the secondary side circuit Wherein the CC mode capacitor is connected in parallel with a CV mode capacitor and a mode switch connected in series to perform a voltage conversion between the CC mode and the CV mode under different resonant network conditions in accordance with a switching operation of the mode switch, A method of driving a full bridge LLC converter.
상기 제2 풀브릿지 LLC 컨버터는,
상기 CC 모드로 동작 시, 상기 모드 스위치의 턴오프 상태를 유지하고, 상기 CV 모드로 동작 시, 상기 모드 스위치의 턴온 상태를 유지하여 상기 CC 모드와 상기 CV 모드 간에 공진 네트워크 조건을 변화시키는 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 구동방법.13. The method of claim 12,
Wherein the second full bridge LLC converter comprises:
A hybrid pool which maintains a turn-off state of the mode switch when operating in the CC mode and maintains a turn-on state of the mode switch when operating in the CV mode to change a resonant network condition between the CC mode and the CV mode; A method of driving a bridge LLC converter.
상기 CC 모드로 동작 시, 상기 제1 스위치 내지 상기 제4 스위치의 턴온 또는 턴오프 동작에 따라 상기 스위칭부에 흐르는 전류가 상기 제1 풀브릿지 LLC 컨버터의 1차측과 상기 제2 풀브릿지 LLC 컨버터의 1차측으로 흐르는 하이브리드 풀브릿지 LLC 컨버터의 구동방법.11. The method of claim 10,
In operation in the CC mode, a current flowing in the switching unit according to a turn-on or a turn-off operation of the first switch to the fourth switch is supplied to the primary side of the first full bridge LLC converter and the second full bridge LLC converter A method of driving a Hybrid Full Bridge LLC converter flowing to the primary side.
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