KR20190011477A - 고전력밀도의 스위칭 정류기 - Google Patents

고전력밀도의 스위칭 정류기 Download PDF

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KR20190011477A
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Abstract

본 발명은 고전력밀도의 스위칭 정류기에 관한 것으로, 특히 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기와 같이 4개 이상의 인덕터를 사용하는 경우 1개의 자성체 코어에 2개의 권선을 구성하는 공유인덕터를 사용하더라도 최소 2개의 자성체 코어를 사용해야 하기 때문에, 스위칭 정류기의 회로구성이 복잡해지고, 제조 가격이 증가하여 가격 경쟁력이 낮아지는 문제점을 해결함과 아울러, 전류리플을 억제하기 위해서 별도로 추가되는 입력라인필터용 인덕터로 인하여 완성된 정류기의 시스템 사이즈가 증가하는 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 1개의 EI코어를 사용하여 양쪽 날개에 각각 2개의 공유인덕터를 설치하고 중앙 다리에는 입력라인필터용 권선을 구성함으로써, 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기를 구성하는 소자의 수를 획기적으로 줄이고, 이에 따라 크기를 소형화함으로써 기존의 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기가 갖고 있었던 고효율, 효과적인 방열효과 등을 그대로 유지함에 따라 내부손실이 저감되어 스위칭 전원장치의 내부발열을 낮출 수 있으므로, 스위칭 전원장치의 수명을 연장시킬 수 있어 높은 신뢰성을 갖는 고전력밀도의 스위칭 정류기를 제공한다.

Description

고전력밀도의 스위칭 정류기{SWITCHING RECTIFIER OF HIGH POWER DENSITY}
본 발명은 스위칭 정류기에 관한 것으로, 특히 고전력밀도의 스위칭 전원장치의 구성에 있어서, 교류를 직류전압으로 변환시켜주는 인터리브드 브릿지리스형(Bridgeless interleaved type) 스위칭 정류기의 구성에서 필수적으로 사용되는 두 개 이상의 독립된 인덕터를 한 개의 자기 코어에 구성하여 스위칭 정류기의 소형화와 고전력밀도 설계를 용이하게 수행할 수 있도록 하는 고전력밀도의 스위칭 정류기에 관한 것이다.
일반적으로 스위칭 전원장치는 안정된 출력전압을 목적으로 하는 전력변환 장치이다. 특히, 교류를 입력으로 하는 스위칭 전원장치의 경우, 교류전압을 직류전압으로 변환시키는 정류회로가 필수적으로 이용되는데 이 때 주로 사용되는 회로방식이 부스트 컨버터이다. 부스트 컨버터는 입력전압보다 높은 출력전압으로 변환하는 경우 사용되는 회로방식이지만 입력단에 인덕터가 있어서 입력전류가 연속적으로 흐르기 때문에 입력단 필터의 부담이 작고 간단한 전류 필터 구성이 가능하다는 장점이 있다.
부스트 컨버터를 기본으로 하는 정류회로(이하, '스위칭 정류기')는 기본적으로 교류전압을 직류전압으로 변환시키는 기능 외에도 입력전류의 파형을 입력전압 파형과 같아지도록 제어하여 입력 역률을 높이고 고조파를 저감시키는 부가적인 기능을 수행하게 된다. 또한, 고주파 스위칭 동작 때문에 주요 소자의 사이즈를 줄일 수 있고 내부 손실이 저감되므로 전력변환 효율을 높일 수 있는 정류방식으로 널리 알려져 있다.
도 1은 종래기술에 따른 스위칭 정류기의 기본회로도로서, 부스트 컨버터를 사용하는 스위칭 정류기는 입력단에 브릿지 다이오드를 사용하는 유무에 따라 브릿지형 스위칭 정류기(a)와, 브릿지리스형 스위칭 정류기(b-f)로 구분된다.
도 1의 (a)는 일반적인 브릿지형 스위칭 정류기의 기본회로이고, (b)는 일반적인 브릿지리스형 스위칭 정류기의 기본회로이며, (c)는 양방향 스위치를 사용한 브릿지리스형 스위칭 정류기의 기본회로이다. 또한, 도 1의 (d)는 (b)의 회로를 변형한 브릿지리스형 스위칭 정류기의 회로이고, (e)는 토템폴 브릿지리스형 스위칭 정류기의 기본회로이며, (f)는 유사 토템폴 브릿지리스형 스위칭 정류기의 기본회로이다.
도 1에 도시한 브릿지 및 브릿지리스형 스위칭 정류기들은 한 개 이상의 반도체 스위치를 사용하여 교류전압을 직류전압으로 정류할 시, 입력전류를 입력전압과 같은 위상을 유지하면서 정현파를 생성시키는 역할을 수행하게 된다.
먼저, 브릿지형 스위칭 정류기(a)는 큰 출력을 필요로 하는 전기자동차의 충전기나 모터의 구동 시, 브릿지 다이오드를 지나는 전류의 양이 증가함에 따라 브릿지 다이오드에서 발생하는 열로 인해 전도손실이 증가하여 전체적인 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
이에 따라, 브릿지 다이오드를 사용하지 않는 브릿지리스형 스위칭 정류기가 제안되었다. 브릿지리스형 스위칭 정류기는 입력단에 브릿지 다이오드를 사용하지 않고 정류기 동작을 수행하기 때문에 정류기의 전도손실이 저감되어 전력변환 효율이 증가하고, 내부손실이 저감되는 회로방식으로서 브릿지형 스위칭 정류기를 대체하여 널리 사용되어 왔다.
그러나 이러한 브릿지리스형 스위칭 정류기는 출력 전력용량이 증가할수록 다이오드 및 MOSFET와 같은 반도체 스위치의 정격이 증가하는 동시에 전력손실이 발생된다. 그 결과, 전통적인 브릿지리스형 스위칭 정류기는 전력손실이 증가하여 전력변환 효율이 낮아지는 문제가 존재한다. 이러한 소자의 전력손실은 고도한 방열기구의 사용을 필요로 하기 때문에 정류기의 전체적인 크기가 증가하여 전력밀도에 영향을 주게 된다. 또한, 브릿지리스형 스위칭 정류기는 회로구조상 두 개 이상의 인덕터를 사용해야 하므로, 인덕터에 의하여 크기가 더욱 커지고, 무거우며, 비싸다는 단점을 갖는다.
도 2는 종래기술에 따른 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기의 기본회로도로서, 인터리브드(Interleaved)형 스위칭 정류기 회로방식은 전술한 브릿지 및 브릿지리스형 스위칭 정류기의 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로, 두 개의 반도체 스위치를 병렬로 사용하는 것이 특징이다.
인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기는 두 개의 부스트형 컨버터를 병렬로 구성하고 각각의 부스트 컨버터를 번갈아 스위칭시킨다. 따라서 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기는 각각의 스위칭 정류기가 병렬로 동작하기 때문에 전력손실로 인해 발생하는 내부열이 분산되어 방열효과가 크고, 입력단의 입력전류가 각각의 인덕터에 의해 180도 위상차로 더해지기 때문에 전류리플이 급속히 적어지는 효과가 있다. 그러나 도 2에 도시된 바와 같이, 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기의 경우 4 개의 인덕터를 사용해야 하는 단점이 있다.
일반적으로 스위칭 정류기의 전력용량이 증가하면 내부손실이 증가하고, 발열이 증가하여 제품의 사이즈가 커지는 인과관계가 있기 때문에, 실제 설계에서는 단위 체적당 출력전력으로 나눈 제품의 전력밀도가 경쟁력이 되기도 한다. 스위칭 정류기의 전력밀도를 높이기 위해서는 전력손실이 적은 회로방식을 선택하고, 부피가 큰 부품의 사이즈를 줄이는 것이 중요하다.
따라서 앞에서 언급한 장점 때문에 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기는 큰 전력용량의 정류기에 적합하지만, 효과적인 동작을 보장을 위해서는 총 4개 이상의 독립된 인덕터를 사용해야 하며 이러한 제약 때문에 정류기의 크기를 소형화시키는 것에는 한계가 있으므로, 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기를 개선한 회로를 도 3에 도시하였다.
도 3은 2개의 권선을 갖는 공유인덕터를 2개 사용한 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기 회로도로서, 도 2의 회로에서 입력단에서 사용된 4개의 인덕터를 2개의 권선을 갖는 공유인덕터를 2개 사용하여 구성함으로써, 사용하는 부품의 개수를 줄이고 크기가 작아지는 효과가 있으면서 기존의 인터리브드형 스위칭 정류기와 브릿지리스형 정류기의 장점을 모두 가지도록 한 것이다.
그러나 도 3의 회로방식을 갖는 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기도 2개의 공유인덕터를 각각의 자성체 코어에 권선하여야 하기 때문에, 더 작은 크기의 정류기를 원하는 산업계의 요구에 부응하기에는 한계가 있다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 미국 등록특허 제9,252,656호에는 4개의 권선을 하나의 자성체 코어에 권선한 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기 회로가 개시되어 있다. 도 4는 4개의 권선을 갖는 공유인덕터를 1개 사용한 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기의 회로도를 나타낸 것이다.
그러나 도 4의 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기가 공개되어 있는 특허문헌에는 입력전원에 병렬로 구성된 4개의 인덕터가 한 개의 자성체에 구성된다는 개념만 기재되어 있을 뿐, 이를 실제로 구현하기 위한 구체적인 형상이나 자속의 경로가 공유인덕터의 흑점(dot)과 어떤 관련성을 갖는지를 충분히 설명해주지 못하여, 실제로는 스위칭 정류기에 적용할 수 없는 회로방식이다.
따라서 여전히 도 3의 회로방식이 기본회로로 사용되고 있는 바, 도 3의 회로에 도시되어 있는 제어회로를 뺀 스위칭 정류기만을 도 5에 나타내었다.
전술한 바와 같이, 종래기술에 따른 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기는 2개의 자성체 코어에 인덕터를 2개씩 권선한 2개의 공유인덕터를 사용함에 따라 정류기의 전체적인 크기가 한계점에 도달한 상황에서, 소형화에 대한 끊임없는 산업계의 요구를 충족시킬 수 있는 방안이 절실히 요망된다.
US 9,252,656 B2 (2016.02.02.) US 8,503,199 B1 (2013.08.06.)
Hou, Dianli, Qingfan Zhang, and Xiao Liu. "An isolated bridgeless power factor correction rectifer based on SEPIC topology." Information Technology Journal (2011): 2336-2342. Musavi, Fariborz, Wilson Eberle, and William G. Dunford. "A high-performance single-phase bridgeless interleaved PFC converter for plug-in hybrid electric vehicle battery chargers." IEEE Transactions on Industry Applications 47.4 (2011): 1833-1843. Zhou, Liang, and Y. Wu. "99% efficiency true-bridgeless totem-pole PFC based on GaN HEMTs." Power Conversion Intelligent Motion (PCIM) (2013). Lee, Jin-kwei, Yung-Chung Chang, and Chia-chin Chuang. "Conversion Circuit Design for High Efficiency Bridgeless Interleaved Power Factor Correction." International Journal of Energy Engineering 3.2 (2013): 97-109. Jang, Yungtaek, and Milan M. Jovanovic. "A bridgeless PFC boost rectifier with optimized magnetic utilization." IEEE Transactions on Power Electronics 24.1 (2009): 85-93.
이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려하여 기존의 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기가 지닌 한계 및 문제점의 해결에 역점을 두어, 스위칭 정류기의 크기를 최소화하고 전체적인 전력손실을 줄임으로써 전력변환 효율을 높일 수 있는 새로운 스위칭 정류기를 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하던 중 그 결과로써 본 발명을 창안하게 되었다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 교류전압을 직류전압으로 변환시켜주는 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기에서, 4개의 인덕터 권선을 하나의 EI코어로 구현함으로써, 중앙에 흐르는 자속을 감소시켜 코어손실을 저감시킴으로써 스위칭 정류기의 전체적인 전력손실을 줄이고, 전력변환 효율을 증가시키며, 전체적인 크기를 소형화할 수 있는 고전력밀도의 스위칭 정류기를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 기술적 과제 및 목적은 스위칭 정류기 전단에 구비되는 필터회로를 구성하는 2개의 인덕터 권선과 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기를 구성하는 4개의 인덕터 권선을 포함하는 6개의 인덕터 권선을 하나의 자성체 코어에 구현함으로써 소형화된 스위칭 정류기를 제공함과 아울러 시스템의 전력밀도를 증가시킬 수 있는 고전력밀도의 스위칭 정류기를 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고전력밀도의 스위칭 정류기는, 4개의 인덕터를 2개의 권선을 갖는 2개의 공유인덕터로 구성하는 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기에 있어서, 상기 2개의 공유인덕터를 구성하는 제1공유인덕터 및 제2공유인덕터는 하나의 EI코어의 양쪽 날개에 각각 구성되되, 한쪽 날개에 권취되어 상기 제1공유인덕터를 구성하는 제1인덕터 및 제3인덕터의 전류방향과, 다른 한쪽 날개에 권취되어 상기 제2공유인덕터를 구성하는 제4인덕터 및 제2인덕터의 전류방향이 반대가 되도록 권취하고, 상기 제1인덕터는 일단이 입력전원의 일단에 직렬 연결되고 타단이 제1다이오드 및 제1스위치의 중앙 노드에 연결되며, 상기 제3인덕터는 일단이 상기 입력전원의 타단에 직렬 연결되고 타단이 제3다이오드 및 제3스위치의 중앙 노드에 연결되고, 상기 제4인덕터는 일단이 상기 입력전원의 타단에 직렬 연결되고 타단이 제4다이오드 및 제4스위치의 중앙 노드에 연결되며, 상기 제2인덕터는 일단이 상기 입력전원의 일단에 직렬 연결되고 타단이 제2다이오드 및 제2스위치의 중앙 노드에 연결됨으로써, 큰 전력을 변환시키는 스위칭 정류기에서 발생하는 내부손실을 저감시키고, 4개의 인덕터 권선을 하나의 자성체 코어에 구현함으로써 소형화된 스위칭 정류기를 제공함과 아울러 시스템의 전력밀도를 증가시킬 수 있는 특징이 있다.
이때, 본 발명에 따른 고전력밀도의 스위칭 정류기의 상기 EI코어는, 중앙 다리에는 에어갭(Air gap) 또는 공극을 형성하지 않고, 양쪽 날개에만 에어갭 또는 공극을 형성함으로써, 큰 전류에 대해 자속 포화가 일어나지 않도록 하며, 특히 양 쪽 날개에 위치한 제1공유인덕터 및 제2공유인덕터의 권선방향은 EI코어의 중앙에서 서로 자속이 상쇄되도록 흑점을 위치시키도록 함이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 고전력밀도의 스위칭 정류기에 있어서, 4개의 스위치는, 상기 제1스위치 및 제2스위치, 상기 제3스위치 및 제4스위치로 각각 2개씩 묶어서 병렬 구동하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고전력밀도의 스위칭 정류기에 있어서, 상기 입력전원과 상기 제1 및 제2공유인덕터 사이에 2개의 권선을 갖는 제3공유인덕터를 더 구비하고, 상기 제3공유인덕터를 구성하는 인덕터A 및 인덕터B는 상기 EI코어의 중앙 다리에 구성되되, 상기 제1공유인덕터를 구성하는 제1인덕터 및 제3인덕터의 전류방향과 동일한 전류방향이 되도록 권취하고, 상기 인덕터A는 일단이 상기 입력전원의 일단에 직렬 연결되고 타단이 상기 제1인덕터 및 제2인덕터의 일단과 연결되며, 상기 인덕터B는 일단이 상기 입력전원의 타단에 직렬 연결되고 타단이 상기 제3인덕터 및 제4인덕터의 일단과 연결되어, 상기 제3공유인덕터가 입력필터회로로 동작하도록 함으로써, 입력필터회로로 동작하는 제3공유인덕터를 포함하여 6개의 인덕터 권선을 하나의 자성체 코어에 구현함으로써 더욱 소형화된 스위칭 정류기를 제공함과 아울러 시스템의 전력밀도를 더욱 증가시킬 수 있는 특징이 있다.
이때, 본 발명에 따른 고전력밀도의 스위칭 정류기의 상기 EI코어는, 상기 중앙 다리 및 상기 양쪽 날개에 모두 에어갭(Air gap) 또는 공극을 형성함으로써, 큰 전류에 대해 자속 포화가 일어나지 않도록 하며, 특히 양 쪽 날개에 위치한 제1 및 제2공유인덕터의 권선 방향은 EI코어의 중앙에서 서로 자속이 상쇄되도록 흑점을 위치시키는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 고전력밀도의 스위칭 정류기에 있어서, 4개의 스위치는, 상기 제1스위치 및 제3스위치, 상기 제2스위치 및 제4스위치로 각각 2개씩 묶어서 병렬 구동하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고전력밀도의 스위칭 정류기는, 직류 출력전압을 안정시키는 커패시터 및 부하저항을 더 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 교류전압을 직류전압으로 변환시켜주는 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기의 전력변환 효율을 높이고 전력밀도를 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기에서 사용되는 3개의 공유인덕터에 필요한 6개의 권선을 1개의 자성체 코어를 사용하여 구성한 집적인덕터(Integrated inductor)를 사용함으로써 큰 전력을 변환시키는 스위칭 정류기에서 발생하는 내부손실을 저감시킬 수 있고, 불가피하게 사용되는 6개의 인덕터를 1개의 소자로 구성함으로써 부품의 제조단가를 낮추고 스위칭 정류기의 사이즈를 최소화할 수 있으며, 이에 따라 시스템의 전력밀도를 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기를 구성하는 소자의 수를 획기적으로 줄임으로써 스위칭 정류기의 사이즈가 작아지면서도 기존의 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기가 갖고 있었던 고효율, 효과적인 방열효과 등을 그대로 유지하기 때문에 내부손실이 저감되어 스위칭 전원장치의 내부발열을 낮추어 주고, 이에 따라 수명이 늘어나 높은 신뢰성을 갖는 고전력밀도의 스위칭 전원장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 브릿지형 스위칭 정류기 및 브릿지리스형 스위칭 정류기의 기본회로도,
도 2는 종래기술에 따른 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기 기본회로도,
도 3은 2개의 권선을 갖는 공유인덕터를 2개 사용한 종래기술에 따른 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기 회로 및 제어회로의 일 예시도,
도 4는 4개의 권선을 갖는 공유인덕터를 1개 사용한 종래기술에 따른 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기 회로의 일 예시도,
도 5는 2개의 권선을 갖는 공유인덕터를 2개 사용한 종래기술에 따른 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기 회로의 일 예시도,
도 6은 4개의 권선을 1개의 EI코어로 구현한 본 발명에 따른 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기 회로도,
도 7은 2개의 권선을 갖는 공유인덕터를 3개 사용한 본 발명에 따른 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기 회로도,
도 8은 6개의 권선을 1개의 EI코어로 구현한 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기 회로도,
도 9는 도 8의 6개의 권선을 1개의 EI코어로 구현한 집적자기결합 인덕터의 확대도,
도 10a 내지 도 10d는 도 7의 2개의 권선을 갖는 공유인덕터를 3개 사용한 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기의 스위치 상태별 전류 경로도,
도 11은 본 발명에 따른 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기의 주요 전압 및 전류의 동작 파형도,
도 12는 본 발명에 따른 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기의 입력 전압 및 전류의 동작 파형도.
이하에서는 본 발명에 따른 고전력밀도의 스위칭 정류기에 대한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시 예는 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것으로, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타낸다. 하기의 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것일 뿐, 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
여기서, 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로, 각 구성요소가 실제의 크기와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 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.
아울러 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, "부"의 용어에 대한 의미는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위 또는 모듈 형태를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 혹은 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수도 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
먼저, 도 6은 4개의 권선을 1개의 EI코어로 구현한 본 발명에 따른 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기 회로도로서, 하나의 EI코어를 사용하여 코어의 양쪽 날개에 각각 2개의 권선을 갖는 공유인덕터를 구성하였다. 이때, EI코어의 중앙 다리에는 자속(Flux)이 원활하게 흐를 수 있도록 에어갭(Air gap) 또는 공극을 두지 않으며, 양쪽 날개에는 적정한 에어갭 또는 공극을 준비하여 큰 전류에 대해 자속포화가 일어나지 않도록 하는 것이 바람직하다.
특히, 양쪽 날개에 위치한 공유인덕터의 권선 방향은 EI코어의 중앙에서 서로 자속(Φ1, Φ2)이 상쇄되도록 흑점을 위치시키는 것이 중요하며, 이러한 구성으로 인하여 중앙에 흐르는 자속이 작아지고 따라서 발열과 코어손실이 저감되어 스위칭 정류기의 전체적인 전력손실이 줄어들어 전력변환 효율이 증가하는 특징이 있다.
또한, 도 6에 도시된 본 발명에 따른 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기는 4개의 반도체 스위치(S1, S2, S3, S4)를 2개씩 묶어서 구동하는 병렬 구동형 제어회로에 의해 제어될 수 있다.
도 7은 2개의 권선을 갖는 공유인덕터를 3개 사용한 본 발명에 따른 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기 회로도이다.
일반적으로 스위칭 정류기는 입력전류의 리플을 최소화하기 위하여 입력단에 라인필터를 사용하는 바, 이 경우 도 7의 입력단에 있는 공유인덕터(LA, LB)가 라인필터의 역할을 수행하게 된다. 기본적인 회로동작은 도 6과 동일하되, 추가된 라인필터의 인덕턴스 때문에 인던턴스가 증가하여 입력전류(iIN)의 리플을 억제하는 효과가 있다.
도 8은 6개의 권선을 1개의 EI코어로 구현한 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기 회로도로서, 도 8은 도 7의 기본회로를 1개의 EI 코어를 사용하여 라인필터 및 스위칭 정류기를 구성한 것이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 코어의 양쪽 날개에 2개의 권선을 갖는 공유인덕터(L1/L3, L4/L2)를 각각 사용하였으며, 입력단의 라인필터용 공유인덕터(LA, LB)를 코어의 중앙에 배치하여 EI코어의 자속경로를 모두 사용하는 회로 구성 방법을 나타내었다. 이때, EI코어의 모든 다리에는 적정한 에어갭을 준비하여 큰 전류에 대해 자속포화가 일어나지 않도록 한다. 특히, 양쪽 날개에 위치한 공유인덕터(L1/L3, L4/L2)의 권선방향은 EI코어의 중앙에서 서로 자속(Φ1, Φ2)이 상쇄되도록 흑점을 위치하는 것이 중요하며 이러한 구성 때문에 중앙에 흐르는 자속이 작아지고 따라서 코어손실이 저감되어 스위칭 정류기의 전체적인 전력손실이 줄어들어 전력변환 효율이 증가하는 특징이 있다.
도 9는 도 8의 6개의 권선을 1개의 EI코어로 구현한 집적자기결합 인덕터의 확대도로서, 집적자기결합 인덕터의 자속경로 방향을 상세히 나타내었고, EI코어의 자속(Φ1, Φ2)이 서로 상쇄되는 방향으로 각각의 권선이 감겨져 있다는 것을 확인할 수 있다.
도 10a 내지 도 10d는 도 7의 2개의 권선을 갖는 공유인덕터를 3개 사용한 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기의 스위치 상태별 전류 경로를 나타낸 도면이고, 도 11은 본 발명에 따른 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기의 주요 전압 및 전류의 동작 파형을 나타낸 도면이다.
도 10a 내지 도 10d의 정상상태 동작별 등가회로와 도 11의 동작파형으로부터 본 발명에 따른 고전력말도의 스위칭 정류기의 동작을 상세히 설명한다.
우선, 최초 제어신호에 의하여 양의 입력전압이 인가된 상태에서 제1스위치(S1)와 제3스위치(S3)가 동시에 턴 온 되면, 도 10a와 같이 입력에서 전류가 흐르게 되며, 도 11에 도시된 바와 같이 경로에 있는 각각의 인덕터(L1, L2, L3, L4)에는 전류(iL1, iL2, iL3, iL4)가 증가하게 된다. 이때 제4스위치(S4)의 바디 다이오드를 통해서 전류가 리턴되는 경로가 생기게 된다.
다음 제어신호에 의해서 제1스위치(S1)와 제3스위치(S3)가 동시에 턴 오프 되면, 도 10b와 같은 전류 경로가 생기며, 이때 입력에서 출력측으로 전류가 공급되어 출력 커패시터(도 8의 CF)에 전력이 공급된다.
이어, 제2스위치(S2)와 제4스위치(S4)가 동시에 턴 온 되면, 도 10c와 같이 입력에서 전류가 흐르게 되며, 도 11에 도시된 바와 같이 경로에 있는 각각의 인덕터(L1, L2, L3, L4)에는 전류(iL1, iL2, iL3, iL4)가 증가하게 된다. 이때 제3스위치(S3)의 바디 다이오드를 통해서 전류가 리턴되는 경로가 생성된다.
또한, 다음 제어신호에 의해서 제2스위치(S2)와 제4스위치(S4)가 동시에 턴 오프 되면, 도 10d와 같은 전류 경로가 생기며, 이때 입력에서 출력측으로 전류가 공급되어 출력 커패시터(도 8의 CF)에 전력이 공급된다.
입력전압이 마이너스가 되는 음의 구간에서 이루어지는 전류 경로 새성에 대한 설명은, 양의 구간 설명에서 병렬로 구성된 스위치의 역할이 바뀌는 것만 제외하면 동일하므로 설명을 생략한다.
도 12는 본 발명에 따른 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기의 입력 전압 및 전류의 동작 파형도로서, 2개의 권선을 갖는 공유인덕터를 3개를 하나의 EI코어에 구성한 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기의 입력전압 및 전류의 동작파형을 나타내었다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 입력전압(vIN)이 정현파 형태로 인가되었을 때 입력전류(iIN)가 같은 위상이면서 정현파 형태를 나타내고 있다는 것을 알 수 있으며, 이러한 특징은 스위칭 정류기의 일반적인 특징이며 입력전류 파형에 대한 고조파가 거의 없어서 높은 역률과 낮은 전고조파 왜율 특징을 예측할 수 있게 된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고전력밀도의 스위칭 정류기는, 1 개의 EI코어를 사용하여 6개의 권선을 구성하고 3개의 공유인덕터를 만족시키는 복합형 인덕터에 의하여 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기를 소형화시킴은 물론 가격 경쟁력을 높이고, 낮은 손실과 높은 효율, 작은 크기, 높은 전력밀도의 시스템 구성을 가능하게 한다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시 예를 중심으로 구체적으로 기술되었으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

Claims (7)

  1. 4개의 인덕터를 2개의 권선을 갖는 2개의 공유인덕터로 구성하는 인터리브드 브릿지리스형 스위칭 정류기에 있어서,
    상기 2개의 공유인덕터를 구성하는 제1공유인덕터 및 제2공유인덕터는 하나의 EI코어의 양쪽 날개에 각각 구성되되,
    한쪽 날개에 권취되어 상기 제1공유인덕터를 구성하는 제1인덕터 및 제3인덕터의 전류방향과, 다른 한쪽 날개에 권취되어 상기 제2공유인덕터를 구성하는 제4인덕터 및 제2인덕터의 전류방향이 반대가 되도록 권취하고,
    상기 제1인덕터는 일단이 입력전원의 일단에 직렬 연결되고 타단이 제1다이오드 및 제1스위치의 중앙 노드에 연결되며,
    상기 제3인덕터는 일단이 상기 입력전원의 타단에 직렬 연결되고 타단이 제3다이오드 및 제3스위치의 중앙 노드에 연결되고,
    상기 제4인덕터는 일단이 상기 입력전원의 타단에 직렬 연결되고 타단이 제4다이오드 및 제4스위치의 중앙 노드에 연결되며,
    상기 제2인덕터는 일단이 상기 입력전원의 일단에 직렬 연결되고 타단이 제2다이오드 및 제2스위치의 중앙 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 고전력밀도의 스위칭 정류기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 EI코어는,
    중앙 다리에는 에어갭(Air gap) 또는 공극을 형성하지 않고, 양쪽 날개에만 에어갭 또는 공극을 형성하는 것을 특징으로 하는 고전력밀도의 스위칭 정류기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1스위치 및 제2스위치, 상기 제3스위치 및 제4스위치로 각각 2개씩 묶어서 병렬 구동하는 것을 특징으로 하는 고전력밀도의 스위칭 정류기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 입력전원과 상기 제1 및 제2공유인덕터 사이에 2개의 권선을 갖는 제3공유인덕터를 더 구비하고,
    상기 제3공유인덕터를 구성하는 인덕터A 및 인덕터B는 상기 EI코어의 중앙 다리에 구성되되,
    상기 제1공유인덕터를 구성하는 제1인덕터 및 제3인덕터의 전류방향과 동일한 전류방향이 되도록 권취하고,
    상기 인덕터A는 일단이 상기 입력전원의 일단에 직렬 연결되고 타단이 상기 제1인덕터 및 제2인덕터의 일단과 연결되며,
    상기 인덕터B는 일단이 상기 입력전원의 타단에 직렬 연결되고 타단이 상기 제3인덕터 및 제4인덕터의 일단과 연결되어,
    상기 제3공유인덕터가 입력필터회로로 동작하는 것을 특징으로 하는 고전력밀도의 스위칭 정류기.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 EI코어는,
    상기 중앙 다리 및 상기 양쪽 날개에 에어갭(Air gap) 또는 공극을 형성하는 것을 특징으로 하는 고전력밀도의 스위칭 정류기.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제1스위치 및 제3스위치, 상기 제2스위치 및 제4스위치로 각각 2개씩 묶어서 병렬 구동하는 것을 특징으로 하는 고전력밀도의 스위칭 정류기.
  7. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,
    직류 출력전압을 안정시키는 커패시터 및 부하저항을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고전력밀도의 스위칭 정류기.
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