KR20190014374A - 액티브 클램프 포워드 컨버터 및 그 구동방법 - Google Patents

액티브 클램프 포워드 컨버터 및 그 구동방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 입력전압의 저전위단자 및 고전위단자에 각각 연결되는 제1 및 제2스위치와; 상기 제2스위치에 연결되는 제1인덕터와; 상기 제1인덕터와 상기 제1스위치 사이에 연결되는 제2인덕터와; 상기 제2인덕터 및 상기 제1스위치에 연결되는 클램핑스위치와; 상기 제2스위치와 상기 클램핑스위치 사이에 연결되는 클램핑다이오드 및 클램핑커패시터와; 상기 제2인덕터에 병렬 연결되는 제1 및 제2변압기와; 상기 제1 및 제2변압기에 연결되는 출력부를 포함하는 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터를 제공한다.

Description

액티브 클램프 포워드 컨버터 및 그 구동방법 {Active Clamp Forward Converter And Method Of Driving The Same}
본 발명은 액티브 클램프 포워드 컨버터에 관한 것으로, 특히 2개의 스위치를 순차적으로 턴-오프 하고 1개의 클램핑다이오드를 이용하여 클램핑을 수행함으로써, 변압기전류 및 소비전력이 감소되고 크기가 감소되는 액티브 클램프 포워드 컨버터 및 그 구동방법에 관한 것이다.
최근 세계적으로 환경 문제로 인해 에너지 소비의 효율성에 대한 관심이 커지고 있고 전기제품의 고효율화가 요구되고 있으며, 이에 따라 저전력에서 고전력에 이르기까지 전 부분의 전기제품에 걸쳐 소비전력을 절감하기 위한 연구개발이 진행되고 있다.
이러한 전기제품에 일반적으로 들어가는 DC-DC 컨버터(변환기)로서, 저전력의 경우 영전압 스위칭(zero voltage switching)이 가능하며 출력 인덕터의 크기를 줄일 수 있는 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터(doubled-ended active clamp forward converter)가 널리 사용되고 있는데, 이를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래의 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터를 도시한 회로도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터(10)는 입력전압(Vi)을 이용하여 출력전압(Vo)을 생성한다.
이를 위하여, 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터(10)는, 제1스위치(S1), 클램핑스위치(Sc), 클램핑커패시터(Cc), 제1 및 제2인덕터(L1, L2), 제1 및 제2변압기(T1, T2), 제1 및 제2다이오드(D1, D2), 출력인덕터(Lo), 출력커패시터(Co), 출력저항(Ro)을 포함한다.
제1스위치(S1)는, 입력전압(Vi)과 제2인덕터(L2) 사이에 연결되고, 제1게이트-소스 전압(Vgs1)에 따라 입력전압(Vi)과 제2인덕터(L2)의 전기적 연결을 스위칭 하며, 제1드레인-소스 전압(Vds1)이 인가되는 제1스위치(S1)의 채널에는 제1전류(I1)가 흐른다.
클램핑스위치(Sc)는, 클램핑커패시터(Cc)와 제2인덕터(L2) 사이에 연결되고, 클램핑 게이트-소스 전압(Vgsc)에 따라 클램핑커패시터(Cc)와 제2인덕터(L2)의 전기적 연결을 스위칭 하며, 클램핑 드레인-소스 전압(Vdsc)이 인가되는 클램핑 스위치(Sc)의 채널에는 클램핑전류(Ic)가 흐른다.
클램핑커패시터(Cc)는, 제1인덕터(L1)와 클램핑스위치(Sc) 사이에 연결되고, 제1인덕터(L1)의 인덕터 에너지를 커패시터전압(Vc)으로 저장하고, 공진에 의하여 저장된 커패시터전압(Vc)에 대응되는 커패시터 에너지를 제2인덕터(L2)로 출력한다.
제1인덕터(L1)는, 입력전압(Vi) 및 클램핑커패시터(Cc)와 제2인덕터(L2) 사이에 연결되는 누설인덕터로서, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 누설(leakage) 자속에 따른 누설 에너지를 저장하거나 출력한다.
제2인덕터(L2)는, 제1스위치(S1) 및 클램핑스위치(Sc)와 제1인덕터(L1) 사이에 연결되는 자화인덕터로서, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 상호(mutual) 자속에 따른 자화 에너지를 저장하거나 출력한다.
제1 및 제2변압기(T1, T2)는, 각각 제2인덕터(L2)와 제1 및 제2다이오드(D1, D2) 사이에 연결되고, 제2인덕터(L2)에 저장된 누설 에너지 또는 자화 에너지를 상이한 변압기전압으로 변환하여 출력한다.
제1 및 제2다이오드(D1, D2)는, 각각 제1 및 제2변압기(T1, T2)에 연결되고, 제1 및 제2변압기(T1, T2)로부터 출력되는 변압기전압을 정류(rectifying) 한다.
출력인덕터(Lo)는 제1 및 제2다이오드(D1, D2)에 연결되고, 출력커패시터(Co) 및 출력저항(Ro)은 각각 출력인덕터(Lo)에 연결되는데, 출력인덕터(Lo), 출력커패시터(Co) 및 출력저항(Ro)은 공진에 의하여 출력전압(Vo)을 출력한다.
이러한 종래의 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터(10)는, 제1스위치(S1)가 턴-온(turn-on) 되고 클램핑스위치(Sc)가 턴-오프(turn-off) 되는 시간구간 동안, 입력전압(Vi), 제1변압기(T1), 제1스위치(S1)로 이어지는 전류경로가 형성되어 제1 및 제2인덕터(L1, L2)를 흐르는 제1 및 제2인덕터전류가 점점 증가하면서, 하이레벨의 직류전압이 출력전압(Vo)으로 출력된다.
그리고, 제1스위치(S1)가 턴-오프 되고 클램핑스위치(Sc)가 턴-온 되는 시간구간 동안, 커패시터전압(Vc), 제2변압기(T2), 클램핑스위치(Sc)로 이어지는 전류경로가 형성되어 제1 및 제2인덕터(L1, L2)를 흐르는 제1 및 제2인덕터전류가 점점 감소하면서, 하이레벨의 직류전압이 출력전압(Vo)으로 출력된다.
그런데, 종래의 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터(10)에서는, 턴-오프 상태의 제1스위치(S1)의 제1드레인-소스 전압(Vds1)인 전압 스트레스(stress)가 입력전압(Vi)과 커패시터전압(Vc)의 합에 대응(Vds1~(Vi+Vc)) 되므로, 제1스위치(S1)가 상대적으로 큰 전압 스트레스를 받는다.
따라서, 상대적으로 큰 전압 스트레스에 의한 소자 불량을 방지하기 위하여, 온 저항(on resistance)이나 다이오드의 포워드전압(forward voltage)이 상대적으로 큰 소자를 제1스위치(S1)로 사용하여야 하고, 그 결과 컨버터의 전체 효율이 감소하고, 고전력에 적용하기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 2개의 스위치를 순차적으로 턴-오프 하여 클램핑을 수행함으로써, 변압기전류가 감소되고 소비전력이 절감되는 액티브 클램프 포워드 컨버터 및 그 구동방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은, 1개의 클램핑다이오드를 이용하여 클램핑을 수행함으로써, 크기가 감소되는 액티브 클램프 포워드 컨버터 및 그 구동방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 입력전압의 저전위단자 및 고전위단자에 각각 연결되는 제1 및 제2스위치와; 상기 제2스위치에 연결되는 제1인덕터와; 상기 제1인덕터와 상기 제1스위치 사이에 연결되는 제2인덕터와; 상기 제2인덕터 및 상기 제1스위치에 연결되는 클램핑스위치와; 상기 제2스위치와 상기 클램핑스위치 사이에 연결되는 클램핑다이오드 및 클램핑커패시터와; 상기 제2인덕터에 병렬 연결되는 제1 및 제2변압기와; 상기 제1 및 제2변압기에 연결되는 출력부를 포함하는 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터를 제공한다.
그리고, 상기 클램핑다이오드는, 턴-온 상태의 상기 제1스위치와 전류경로를 형성하여 변압기전류를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 제1스위치는, 제1게이트-소스 전압에 따라 상기 입력전압과 상기 제2인덕터의 전기적 연결을 스위칭 하고, 상기 제2스위치는, 제2게이트-소스 전압에 따라 상기 입력전압과 상기 제1인덕터의 전기적 연결을 스위칭 하고, 상기 클램핑스위치는, 클램핑 게이트-소스 전압에 따라 상기 클램핑커패시터와 상기 제2인덕터의 전기적 연결을 스위칭 할 수 있다.
그리고, 상기 제1스위치의 게이트는 상기 제1게이트-소스 전압에 연결되고, 상기 제1스위치의 소스는 상기 입력전압의 상기 저전위단자에 연결되고, 상기 제1스위치의 드레인은 상기 클램핑스위치의 소스, 상기 제2인덕터의 제2단자에 연결되고, 상기 제2스위치의 게이트는 상기 제2게이트-소스 전압에 연결되고, 상기 제2스위치의 소스는 상기 제1인덕터의 제1단자, 상기 클램핑커패시터의 제1단자에 연결되고, 상기 제2스위치의 드레인은 상기 입력전압의 고전위단자, 상기 클램핑다이오드의 양극단자에 연결되고, 상기 클램핑스위치의 게이트는 상기 클램핑 게이트-소스 전압에 연결되고, 상기 클램핑스위치의 소스는 상기 제1스위치의 드레인, 상기 제2인덕터의 제2단자에 연결되고, 상기 클램핑스위치의 드레인은 상기 클램핑다이오드의 음극단자, 상기 클램핑커패시터의 제2단자에 연결될 수 있다.
또한, 상기 클램핑다이오드의 양극단자는 상기 입력전압의 상기 고전위단자, 상기 제2스위치의 드레인에 연결되고, 상기 클램핑다이오드의 음극단자는 상기 클램핑스위치의 드레인, 상기 클램핑커패시터의 제2단자에 연결되고, 상기 클램핑커패시터의 제1단자는 상기 제2스위치의 소스, 상기 제1인덕터의 제1단자에 연결되고, 상기 클램핑커패시터의 제2단자는 상기 클램핑다이오드의 음극단자, 상기 클램핑스위치의 드레인에 연결되고, 상기 제1인덕터의 제1단자는 상기 제2스위치의 소스, 상기 클램핑커패시터의 제1단자에 연결되고, 상기 제1인덕터의 제2단자는 상기 제2인덕터의 제1단자에 연결되고, 상기 제2인덕터의 제1단자는 상기 제1인덕터의 제2단자에 연결되고, 상기 제2인덕터의 제2단자는 상기 제1스위치의 드레인, 상기 클램핑스위치의 소스에 연결될 수 있다.
그리고, 상기 출력부는, 상기 제1 및 제2변압기에 각각 연결되는 제1 및 제2다이오드와; 상기 제1 및 제2다이오드에 연결되는 출력인덕터와; 상기 출력인덕터에 연결되는 출력커패시터 및 출력저항을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은, 제1 및 제2스위치, 제1 및 제2인덕터, 클램핑스위치, 클램핑다이오드, 클램핑커패시터, 제1 및 제2변압기, 출력부를 포함하는 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터의 구동방법에 있어서, 제1시간구간 동안, 상기 제1 및 제2스위치를 각각 턴-온(turn-on) 하고, 상기 클램핑스위치를 턴-오프(turn-off) 하여, 입력전압, 상기 제2스위치, 상기 제1변압기, 제1스위치로 이어지는 전류경로를 형성하는 단계와; 제2시간구간 동안, 상기 제1스위치를 턴-온하고, 상기 제2스위치와 상기 클램핑스위치를 각각 턴-오프 하여, 상기 입력전압, 상기 클램핑다이오드, 상기 클램핑커패시터, 상기 제1변압기, 상기 제1스위치로 이어지는 전류경로를 형성하는 단계와; 제3시간구간 동안, 상기 제1 및 제2스위치를 턴-오프 하고, 상기 클램핑스위치를 턴-온 하여, 상기 클램핑커패시터, 상기 제2변압기, 상기 클램핑스위치로 이어지는 전류경로를 형성하는 단계를 포함하는 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터의 구동방법을 제공한다.
본 발명은, 스위치를 순차적으로 턴-오프 하여 클램핑을 수행함으로써, 변압기전류가 감소되고 소비전력이 절감되는 효과를 갖는다.
그리고, 본 발명은, 1개의 클램핑다이오드를 이용하여 클램핑을 수행함으로써, 크기가 감소되는 효과를 갖는다.
도 1은 종래의 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터를 도시한 회로도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터를 도시한 회로도.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터의 제1 및 제2시간구간의 동작상태를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터의 다수의 신호의 파형도.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터를 도시한 회로도.
도 6a, 6b 및 도 6c는 각각 본 발명의 제2실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터의 제1, 제2 및 제3시간구간의 동작상태를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터의 다수의 신호의 파형도.
이하, 본 발명의 구체적인 내용을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터를 도시한 회로도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터(110)는 직류 입력전압(Vi)을 이용하여 직류 출력전압(Vo)을 생성한다.
이를 위하여, 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터(110)는, 제1 및 제2스위치(S1, S2), 제1 및 제2클램핑다이오드(Dc1, Dc2), 클램핑스위치(Sc), 클램핑커패시터(Cc), 제1 및 제2인덕터(L1, L2), 제1 및 제2변압기(T1, T2), 제1 및 제2다이오드(D1, D2), 출력인덕터(Lo), 출력커패시터(Co), 출력저항(Ro)을 포함하는데, 제1 및 제2스위치(S1, S2), 제1 및 제2클램핑다이오드(Dc1, Dc2), 클램핑스위치(Sc), 클램핑커패시터(Cc)는 입력부를 구성하고, 제1 및 제2다이오드(D1, D2), 출력인덕터(Lo), 출력커패시터(Co), 출력저항(Ro)은 출력부를 구성한다.
제1 및 제2스위치(S1, S2)와 클램핑스위치(Sc)는 트랜지스터(transistor) 일 수 있다.
제1스위치(S1)는, 입력전압(Vi)과 제2인덕터(L2) 사이에 연결되고, 제1게이트-소스 전압(Vgs1)에 따라 입력전압(Vi)과 제2인덕터(L2)의 전기적 연결을 스위칭 한다.
예를 들어, 제1스위치(S1)가 네거티브(N) 타입 트랜지스터인 경우, 제1스위치(S1)의 게이트는 제1게이트-소스 전압(Vgs1)에 연결되고, 제1스위치(S1)의 소스는 입력전압(Vi)의 저전위단자에 연결되고, 제1스위치(S1)의 드레인은 클램핑스위치(Sc)의 소스, 제2인덕터(L2)의 제2단자, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 제2입력단자에 연결되고, 제1드레인-소스 전압(Vds1)이 인가되는 제1스위치(S1)의 드레인 및 소스 사이의 채널에는 제1전류(I1)가 흐른다.
제2스위치(S2)는, 입력전압(Vi)과 제1인덕터(L1) 사이에 연결되고, 제2게이트-소스 전압(Vgs2)에 따라 입력전압(Vi)과 제1인덕터(L1)의 전기적 연결을 스위칭 한다.
예를 들어, 제2스위치(S2)가 네거티브(N) 타입 트랜지스터인 경우, 제2스위치(S2)의 게이트는 제2게이트-소스 전압(Vgs2)에 연결되고, 제2스위치(S2)의 소스는 제1인덕터(L1)의 제1단자, 클램핑커패시터(Cc)의 제1단자에 연결되고, 제2스위치(S2)의 드레인은 입력전압(Vi)의 고전위단자, 제1클램핑다이오드(Dc1)의 음극단자, 제2클램핑다이오드(Dc2)의 양극단자에 연결되고, 제2드레인-소스 전압(Vds2)이 인가되는 제2스위치(S2)의 드레인 및 소스 사이의 채널에는 제2전류(I2)가 흐른다.
제1클램핑다이오드(Dc1)는, 입력전압(Vi)과 제1스위치(S1) 사이에 연결되고, 턴-오프(turn-off) 상태의 제1스위치(S1)의 제1드레인-소스 전압(Vds1)인 제1스위치(S1)의 전압 스트레스(stress)가 입력전압(Vi)으로 유지(clamping)되도록 한다.
예를 들어, 제1클램핑다이오드(Dc1)의 양극단자는 제1스위치(S1)의 드레인, 클램핑스위치(Sc)의 소스, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 제2입력단자에 연결되고, 제1클램핑다이오드(Dc1)의 음극단자는 입력전압(Vi)의 고전위단자, 제2클램핑다이오드(Dc2)의 양극단자, 제2스위치(S1)의 드레인에 연결된다.
제2클램핑다이오드(Dc2)는, 클램핑커패시터(Cc)과 제2스위치(S2) 사이에 연결되고, 턴-오프(turn-off) 상태의 제2스위치(S2)의 제2드레인-소스 전압(Vds2)인 제2스위치(S2)의 전압 스트레스가 클램핑커패시터(Cc)의 커패시터전압(Vc)으로 유지(clamping)되도록 한다.
예를 들어, 제2클램핑다이오드(Dc2)의 양극단자는 입력전압(Vi)의 고전위단자, 제1클램핑다이오드(Dc1)의 음극단자, 제2스위치(S1)의 드레인에 연결되고, 제2클램핑다이오드(Dc2)의 음극단자는 클램핑스위치(Sc)의 드레인, 클램핑커패시터(Cc)의 제2단자에 연결된다.
클램핑스위치(Sc)는, 클램핑커패시터(Cc)와 제2인덕터(L2) 사이에 연결되고, 클램핑 게이트-소스 전압(Vgsc)에 따라 클램핑커패시터(Cc)와 제2인덕터(L2)의 전기적 연결을 스위칭 한다.
예를 들어, 클램핑스위치(Sc)가 네거티브(N) 타입 트랜지스터인 경우, 클램핑스위치(Sc)의 게이트는 클램핑 게이트-소스 전압(Vgsc)에 연결되고, 클램핑스위치(Sc)의 소스는 제1스위치(S1)의 드레인, 제2인덕터(L2)의 제2단자, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 제2입력단자에 연결되고, 클램핑스위치(Sc)의 드레인은 제2클램핑다이오드(Dc2)의 음극단자, 클램핑커패시터(Cc)의 제2단자에 연결되고, 클램핑 드레인-소스 전압(Vdsc)이 인가되는 클램핑스위치(Sc)의 드레인 및 소스 사이의 채널에는 클램핑전류(Ic)가 흐른다.
클램핑커패시터(Cc)는, 제1인덕터(L1)와 클램핑스위치(Sc) 사이에 연결되고, 제1인덕터(L1)의 인덕터 에너지를 커패시터전압(Vc)으로 저장하고, 공진에 의하여 저장된 커패시터전압(Vc)에 대응되는 커패시터 에너지를 제2인덕터(L2)로 출력한다.
예를 들어, 클램핑커패시터(Cc)의 제1단자는 제2스위치(S2)의 소스, 제1인덕터(L1)의 제1단자, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 제1입력단자에 연결되고, 클램핑커패시터(Cc)의 제2단자는 제2클램핑다이오드(Dc2)의 음극단자, 클램핑스위치(Sc)의 드레인에 연결된다.
제1인덕터(L1)는, 입력전압(Vi) 및 클램핑커패시터(Cc)와 제2인덕터(L2) 사이에 연결되는 누설인덕터로서, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 누설(leakage) 자속에 따른 누설 에너지를 저장하거나 출력한다.
예를 들어, 제1인덕터(L1)의 제1단자는 제2스위치(S2)의 소스, 클램핑커패시터(Cc)의 제1단자에 연결되고, 제1인덕터(L1)의 제2단자는 제2인덕터(L2)의 제1단자, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 제1입력단자에 연결된다.
제2인덕터(L2)는, 제1스위치(S1) 및 클램핑스위치(Sc)와 제1인덕터(L1) 사이에 연결되는 자화인덕터로서, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 상호(mutual) 자속에 따른 자화 에너지를 저장하거나 출력한다.
예를 들어, 제2인덕터(L2)의 제1단자는 제1인덕터(L1)의 제2단자, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 제1입력단자에 연결되고, 제2인덕터(L2)의 제2단자는 제1스위치(S1)의 드레인, 클램핑스위치(Sc)의 소스, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 제2입력단자에 연결된다.
제1 및 제2변압기(T1, T2)는, 각각 제2인덕터(L2)와 제1 및 제2다이오드(D1, D2) 사이에 연결되고, 제2인덕터(L2)에 저장된 누설 에너지 또는 자화 에너지를 상이한 변압기전압으로 변환하여 출력한다.
예를 들어, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 제1입력단자는 제1인덕터(L1)의 제2단자, 제2인덕터(L2)의 제1단자에 연결되고, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 제2입력단자는 제2인덕터(L2)의 제2단자, 제1스위치(S1)의 드레인, 클램핑스위치(Sc)의 소스에 연결되고, 제1변압기(T1)의 제1출력단자는 제1다이오드(D1)의 양극단자에 연결되고, 제1변압기(T1)의 제2출력단자와 제2변압기(T2)의 제1출력단자는 출력커패시터(Co)의 제2단자, 출력저항(Ro)의 제2단자에 연결되고, 제2변압기(T2)의 제2출력단자는 제2다이오드(D2)의 양극단자에 연결된다.
제1 및 제2다이오드(D1, D2)는, 각각 제1 및 제2변압기(T1, T2)에 연결되고, 제1 및 제2변압기(T1, T2)로부터 출력되는 변압기전압을 정류(rectifying) 한다.
예를 들어, 제1다이오드(D1)의 양극단자는 제1변압기(T1)의 제1출력단자에 연결되고, 제1다이오드(D1)의 음극단자는 제2다이오드(D2)의 음극단자, 출력인덕터(Lo)의 제1단자에 연결되고, 제2다이오드(D2)의 양극단자는 제2변압기(T2)의 제2출력단자에 연결되고, 제2다이오드(D2)의 음극단자는 제1다이오드(D1)의 음극단자, 출력인덕터(Lo)의 제1단자에 연결된다.
출력인덕터(Lo)는 제1 및 제2다이오드(D1, D2)에 연결되고, 출력커패시터(Co) 및 출력저항(Ro)은 각각 출력인덕터(Lo)에 연결되는데, 출력인덕터(Lo), 출력커패시터(Co) 및 출력저항(Ro)은 공진에 의하여 출력전압(Vo)을 출력한다.
예를 들어, 출력인덕터(Lo)의 제1단자는 제1 및 제2다이오드(D1, D2)의 음극단자에 연결되고, 출력인덕터(Lo)의 제2단자는 출력커패시터(Co) 및 출력저항(Ro)의 제1단자에 연결되고, 출력커패시터(Co) 및 출력저항(Ro)의 제2단자는 제1변압기(T1)의 제2출력단자 및 제2변압기(T2)의 제1출력단자에 연결되고, 출력전압(Vo)은 출력커패시터(Co) 및 출력저항(Ro)의 제1 및 제2단자 사이에서 출력된다.
이러한 본 발명의 제1실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터(110)는, 제1 및 제2스위치(S1, S2)가 턴-온(turn-on) 되고 클램핑스위치(Sc)가 턴-오프(turn-off) 되는 제1시간구간(도 3a의 TP1)과, 제1 및 제2스위치(S1, S2)가 턴-오프 되고 클램핑스위치(Sc)가 턴-온 되는 제2시간구간(도 3b의 TP2)으로 구분 구동되어 일정한 직류 출력전압(Vo)을 출력하는데, 이를 도면을 참조하여 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터의 제1 및 제2시간구간의 동작상태를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터의 다수의 신호의 파형도이고, 표 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터의 제1 및 제2시간구간에서의 스위치 및 변압기의 동작상태를 도시한 표로서, 도 2를 함께 참조하여 설명한다.
[표 1]
Figure pat00001
도 3a 및 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터(110)의 제1시간구간(TP1) 동안, 제1 및 제2게이트-소스 전압(Vgs1, Vgs2)은 각각 하이레벨이 되어 제1 및 제2스위치(S1, S2)는 각각 턴-온(turn-on) 되고, 클램핑 게이트-소스 전압(Vgsc)은 로우레벨이 되어 클램핑스위치(Sc)는 턴-오프(turn-off) 된다.
즉, 턴-온 상태의 제1 및 제2스위치(S1, S2)에서는 제1 및 제2드레인-소스 전압(Vds1, Vds2)이 각각 로우레벨이 되고 하이레벨의 제1 및 제2전류(I1, I2)가 채널을 흐르고(전류흐름), 턴-오프 상태의 클램핑스위치(Sc)에서는 클램핑 드레인-소스 전압(Vdsc)이 하이레벨이 되고 로우레벨의 클램핑전류(Ic)가 채널을 흐른다(전류차단).
이에 따라, 입력전압(Vi), 제2스위치(S2), 제1변압기(T1), 제1스위치(S1)로 이어지는 전류경로가 형성되어, 제1인덕터(L1)를 흐르는 제1인덕터전류(Il1)가 점점 증가하면서 클램핑커패시터(Cc)가 충전되고, 제2인덕터(L2)를 흐르는 제2인덕터전류(Il2)가 점점 증가하면서 하이레벨의 직류전압이 출력전압(Vo)으로 출력된다.
이때, 제1클램핑다이오드(Dc1)의 양극단자 및 음극단자에는 각각 접지전압(저전위전압) 및 입력전압(Vi)(고전위전압)이 인가되므로(역바이어스) 제1클램핑다이오드(Dc1)에는 로우레벨의 제1다이오드전류(Id1)가 흐르고(전류차단), 턴-오프 상태의 제1스위치(S1)에 의하여 제2클램핑다이오드(Dc2)의 양극단자 및 음극단자에는 각각 입력전압(Vi)(고전위전압)이 인가되므로 제2클램핑다이오드(Dc2)에는 로우레벨의 제2다이오드전류(Id2)가 흐른다(전류차단).
예를 들어, 입력전압(Vi)은 약 360V이고, 출력전압(Vo)은 약 14V(130A)이고, 제1 및 제2게이트-소스 전압(Vgs1, Vgs2)은 각각 약 1.0V이고, 클램핑 게이트-소스 전압(Vgsc)은 약 0V이고, 제1 및 제2드레인-소스 전압(Vds1, Vds2)은 각각 약 0V이고, 클램핑 드레인-소스 전압(Vdsc)은 약 540V이고, 제1 및 제2전류(I1, I2)는 각각 약 0A에서 약 20A로 증가하고, 클램핑전류(Ic)는 약 0A이고, 제1인덕터전류(Il1)는 약 -5A에서 약 20A로 증가하고, 제2인덕터전류(Il2)는 약 5A에서 약 10A로 증가하고, 제1 및 제2다이오드전류(Id1, Id2)는 각각 약 0A일 수 있다.
도 3b 및 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터(110)의 제2시간구간(TP2) 동안, 제1 및 제2게이트-소스 전압(Vgs1, Vgs2)은 각각 로우레벨이 되어 제1 및 제2스위치(S1, S2)는 각각 턴-오프 되고, 클램핑 게이트-소스 전압(Vgsc)은 하이레벨이 되어 클램핑스위치(Sc)는 턴-온 된다.
즉, 턴-오프 상태의 제1 및 제2스위치(S1, S2)에서는 제1 및 제2드레인-소스 전압(Vds1, Vds2)이 각각 하이레벨이 되고 로우레벨의 제1 및 제2전류(I1, I2)가 채널을 흐르고(전류차단), 턴-온 상태의 클램핑스위치(Sc)에서는 클램핑 드레인-소스 전압(Vdsc)이 로우레벨이 되고 하이레벨의 클램핑전류(Ic)가 채널을 흐른다(전류흐름).
이에 따라, 커패시터전압(Vc), 제2변압기(T2), 클램핑스위치(Sc)로 이어지는 전류경로가 형성되어, 제1인덕터(L1)를 흐르는 제1인덕터전류(Il1)가 점점 감소하면서 클램핑커패시터(Cc)가 충전되고, 제2인덕터(L2)를 흐르는 제2인덕터전류(Il2)가 점점 감소하면서 하이레벨의 직류전압이 출력전압(Vo)으로 출력된다.
이때, 제1클램핑다이오드(Dc1)의 양극단자 및 음극단자에는 각각 제1스위치(S1)의 드레인의 전압 및 입력전압(Vi)(고전위전압)이 인가되므로 제1클램핑다이오드(Dc1)에는 로우레벨의 제1다이오드전류(Id1)가 흐르고(전류차단), 제2클램핑다이오드(Dc2)의 양극단자 및 음극단자에는 각각 제2스위치(S2)의 드레인의 전압 및 커패시터전압(Vc)(고전위전압)이 인가되므로 제2클램핑다이오드(Dc2)에는 로우레벨의 제2다이오드전류(Id2)가 흐른다(전류차단).
여기서, 제1클램핑다이오드(Dc1)의 양극단자에 연결되는 제1스위치(S1)의 드레인의 전압이 제1클램핑다이오드(Dc1)의 음극단자에 인가되는 입력전압(Vi)(고전위전압)보다 높은 경우에는, 제1스위치(S1)의 드레인의 전압이 입력전압(Vi)(고전위전압)이 될 때까지 제1클램핑다이오드(Dc1)를 통하여 하이레벨의 제1다이오드전류(Id1)가 흐르므로, 제1스위치(S1)의 제1드레인-소스 전압(Vds1)인 제1스위치(S1)의 전압 스트레스(stress)가 입력전압(Vi)(고전위전압)으로 유지(clamping)된다.
그리고, 제2클램핑다이오드(Dc2)의 양극단자에 연결되는 제2스위치(S2)의 드레인의 전압이 제2클램핑다이오드(Dc2)의 음극단자에 인가되는 커패시터전압(Vc)(고전위전압)보다 높은 경우에는, 제2스위치(S2)의 드레인의 전압이 커패시터전압(Vc)(고전위전압)이 될 때까지 제2클램핑다이오드(Dc2)를 통하여 하이레벨의 제2다이오드전류(Id2)가 흐르므로, 제2스위치(S2)의 제2드레인-소스 전압(Vds2)인 제2스위치(S2)의 전압 스트레스가 커패시터전압(Vc)(고전위전압)으로 유지(clamping)된다.
예를 들어, 입력전압(Vi)은 약 360V이고, 출력전압(Vo)은 약 14V(130A)이고, 제1 및 제2게이트-소스 전압(Vgs1, Vgs2)은 각각 약 0V이고, 클램핑 게이트-소스 전압(Vgsc)은 약 1.0V이고, 제1 및 제2드레인-소스 전압(Vds1, Vds2)은 각각 약 360V 및 약 180V이고, 클램핑 드레인-소스 전압(Vdsc)은 약 0V이고, 제1 및 제2전류(I1, I2)는 각각 약 0A이고, 클램핑전류(Ic)는 약 20A에서 약 0A로 감소하고, 제1인덕터전류(Il1)는 약 20A에서 약 -5A로 감소하고, 제2인덕터전류(Il2)는 약 10A 에서 약 5A로 감소하고, 제1 및 제2다이오드전류(Id1, Id2)는 각각 약 0A 일 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터(110)에서는, 제2시간구간(TP2) 동안, 제1 및 제2클램핑다이오드(Dc1, Dc2)를 이용하여 제1 및 제2스위치(S1, S2)에 대한 클램핑을 각각 수행함으로써, 제1스위치(S1)의 제1드레인-소스 전압(Vds1)인 전압 스트레스를 입력전압(Vi)으로 제한하고, 제2스위치(S2)의 제2드레인-소스 전압(Vds2)인 전압 스트레스를 커패시터전압(Vc)으로 제한할 수 있다.
따라서, 제1 및 제2스위치(S1, S2)에 대한 전압 스트레스가 감소되고, 그에 따라 온 저항(on resistance)이나 다이오드의 포워드전압(forward voltage)이 상대적으로 작은 소자를 제1 및 제2스위치(S1, S2)로 사용하여 컨버터의 전체 효율이 개선되고 고전력에 용이하게 적용할 수 있게 된다.
그런데, 본 발명의 제1실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터(110)에서는, 제1시간구간(TP1) 동안 제1 및 제2스위치(S1, S2)를 통하여 상대적으로 높은 변압기전류에 의한 전류경로(path)가 형성되고, 제2시간구간(TP2) 동안 클램핑스위치(Sc)를 통하여 상대적으로 높은 변압기전류에 의한 전류경로가 형성되므로, 컨버터의 소비전력이 증가할 수 있다.
다른 실시예에서는, 2개의 스위치를 순차적으로 턴-오프 하고 1개의 클램핑다이오드로 2개의 스위치에 대한 클램핑을 수행하여 변압기전류를 감소시킬 수도 있는데, 이를 도면을 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터를 도시한 회로도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터(210)는 직류 입력전압(Vi)을 이용하여 직류 출력전압(Vo)을 생성한다.
이를 위하여, 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터(210)는, 제1 및 제2스위치(S1, S2), 클램핑다이오드(Dc), 클램핑스위치(Sc), 클램핑커패시터(Cc), 제1 및 제2인덕터(L1, L2), 제1 및 제2변압기(T1, T2), 제1 및 제2다이오드(D1, D2), 출력인덕터(Lo), 출력커패시터(Co), 출력저항(Ro)을 포함하는데, 제1 및 제2스위치(S1, S2), 클램핑다이오드(Dc), 클램핑스위치(Sc), 클램핑커패시터(Cc)는 입력부를 구성하고, 제1 및 제2다이오드(D1, D2), 출력인덕터(Lo), 출력커패시터(Co), 출력저항(Ro)은 출력부를 구성한다.
제1 및 제2스위치(S1, S2)와 클램핑스위치(Sc)는 트랜지스터(transistor) 일 수 있다.
제1스위치(S1)는, 입력전압(Vi)과 제2인덕터(L2) 사이에 연결되고, 제1게이트-소스 전압(Vgs1)에 따라 입력전압(Vi)과 제2인덕터(L2)의 전기적 연결을 스위칭 한다.
예를 들어, 제1스위치(S1)가 네거티브(N) 타입 트랜지스터인 경우, 제1스위치(S1)의 게이트는 제1게이트-소스 전압(Vgs1)에 연결되고, 제1스위치(S1)의 소스는 입력전압(Vi)의 저전위단자에 연결되고, 제1스위치(S1)의 드레인은 클램핑스위치(Sc)의 소스, 제2인덕터(L2)의 제2단자, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 제2입력단자에 연결되고, 제1드레인-소스 전압(Vds1)이 인가되는 제1스위치(S1)의 드레인 및 소스 사이의 채널에는 제1전류(I1)가 흐른다.
제2스위치(S2)는, 입력전압(Vi)과 제1인덕터(L1) 사이에 연결되고, 제2게이트-소스 전압(Vgs2)에 따라 입력전압(Vi)과 제1인덕터(L1)의 전기적 연결을 스위칭 한다.
예를 들어, 제2스위치(S2)가 네거티브(N) 타입 트랜지스터인 경우, 제2스위치(S2)의 게이트는 제2게이트-소스 전압(Vgs2)에 연결되고, 제2스위치(S2)의 소스는 제1인덕터(L1)의 제1단자, 클램핑커패시터(Cc)의 제1단자에 연결되고, 제2스위치(S2)의 드레인은 입력전압(Vi)의 고전위단자, 클램핑다이오드(Dc)의 양극단자에 연결되고, 제2드레인-소스 전압(Vds2)이 인가되는 제2스위치(S2)의 드레인 및 소스 사이의 채널에는 제2전류(I2)가 흐른다.
클램핑다이오드(Dc)는, 클램핑커패시터(Cc)와 제2스위치(S2) 사이에 연결되고, 턴-온(turn-on) 상태의 제1스위치(S1)와 전류경로를 형성하여 변압기전류를 감소시키고, 턴-오프(turn-off) 상태의 제2스위치(S2)의 제2드레인-소스 전압(Vds2)인 제2스위치(S2)의 전압 스트레스가 클램핑커패시터(Cc)의 커패시터전압(Vc)으로 유지(clamping)되도록 하고, 제1스위치(S1)가 턴-온 상태일 때 턴-오프 상태의 클램핑스위치(Sc)의 클램핑 드레인-소스 전압(Vdsc)이 입력전압(Vi)이 되도록 하여 턴-오프 상태의 제1스위치(S1)의 제1드레인-소스 전압(Vds1)인 제1스위치(S1)의 전압 스트레스가 입력전압(Vi)으로 유지(clamping)되도록 한다.
예를 들어, 클램핑다이오드(Dc)의 양극단자는 입력전압(Vi)의 고전위단자, 제2스위치(S1)의 드레인에 연결되고, 클램핑다이오드(Dc)의 음극단자는 클램핑스위치(Sc)의 드레인, 클램핑커패시터(Cc)의 제2단자에 연결된다.
클램핑스위치(Sc)는, 클램핑커패시터(Cc)와 제2인덕터(L2) 사이에 연결되고, 클램핑 게이트-소스 전압(Vgsc)에 따라 클램핑커패시터(Cc)와 제2인덕터(L2)의 전기적 연결을 스위칭 하고, 턴-오프 상태의 클램핑 드레인-소스 전압(Vdsc)인 입력전압(Vi)을 턴-온 후에 제1스위치(S1)로 전달하여 턴-오프 상태의 제1스위치(S1)의 제1드레인-소스 전압(Vds1)인 제1스위치(S1)의 전압 스트레스가 입력전압(Vi)으로 유지(clamping)되도록 한다.
예를 들어, 클램핑스위치(Sc)가 네거티브(N) 타입 트랜지스터인 경우, 클램핑스위치(Sc)의 게이트는 클램핑 게이트-소스 전압(Vgsc)에 연결되고, 클램핑스위치(Sc)의 소스는 제1스위치(S1)의 드레인, 제2인덕터(L2)의 제2단자, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 제2입력단자에 연결되고, 클램핑스위치(Sc)의 드레인은 클램핑다이오드(Dc)의 음극단자, 클램핑커패시터(Cc)의 제2단자에 연결되고, 클램핑 드레인-소스 전압(Vdsc)이 인가되는 클램핑스위치(Sc)의 드레인 및 소스 사이의 채널에는 클램핑전류(Ic)가 흐른다.
클램핑커패시터(Cc)는, 제1인덕터(L1)와 클램핑스위치(Sc) 사이에 연결되고, 제1인덕터(L1)의 인덕터 에너지를 커패시터전압(Vc)으로 저장하고, 공진에 의하여 저장된 커패시터전압(Vc)에 대응되는 커패시터 에너지를 제2인덕터(L2)로 출력한다.
예를 들어, 클램핑커패시터(Cc)의 제1단자는 제2스위치(S2)의 소스, 제1인덕터(L1)의 제1단자, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 제1입력단자에 연결되고, 클램핑커패시터(Cc)의 제2단자는 클램핑다이오드(Dc)의 음극단자, 클램핑스위치(Sc)의 드레인에 연결된다.
제1인덕터(L1)는, 입력전압(Vi) 및 클램핑커패시터(Cc)와 제2인덕터(L2) 사이에 연결되는 누설인덕터로서, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 누설(leakage) 자속에 따른 누설 에너지를 저장하거나 출력한다.
예를 들어, 제1인덕터(L1)의 제1단자는 제2스위치(S2)의 소스, 클램핑커패시터(Cc)의 제1단자에 연결되고, 제1인덕터(L1)의 제2단자는 제2인덕터(L2)의 제1단자, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 제1입력단자에 연결된다.
제2인덕터(L2)는, 제1스위치(S1) 및 클램핑스위치(Sc)와 제1인덕터(L1) 사이에 연결되는 자화인덕터로서, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 상호(mutual) 자속에 따른 자화 에너지를 저장하거나 출력한다.
예를 들어, 제2인덕터(L2)의 제1단자는 제1인덕터(L1)의 제2단자, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 제1입력단자에 연결되고, 제2인덕터(L2)의 제2단자는 제1스위치(S1)의 드레인, 클램핑스위치(Sc)의 소스, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 제2입력단자에 연결된다.
제1 및 제2변압기(T1, T2)는, 각각 제2인덕터(L2)와 제1 및 제2다이오드(D1, D2) 사이에 연결되고, 제2인덕터(L2)에 저장된 누설 에너지 또는 자화 에너지를 상이한 변압기전압으로 변환하여 출력한다.
예를 들어, 제1 및 제2변압기(T1, T2)는 제2인덕터(L2)의 제1 및 제2단자에 병렬 연결되는데, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 제1입력단자는 제1인덕터(L1)의 제2단자, 제2인덕터(L2)의 제1단자에 연결되고, 제1 및 제2변압기(T1, T2)의 제2입력단자는 제2인덕터(L2)의 제2단자, 제1스위치(S1)의 드레인, 클램핑스위치(Sc)의 소스에 연결되고, 제1변압기(T1)의 제1출력단자는 제1다이오드(D1)의 양극단자에 연결되고, 제1변압기(T1)의 제2출력단자와 제2변압기(T2)의 제1출력단자는 출력커패시터(Co)의 제2단자, 출력저항(Ro)의 제2단자에 연결되고, 제2변압기(T2)의 제2출력단자는 제2다이오드(D2)의 양극단자에 연결된다.
제1 및 제2다이오드(D1, D2)는, 각각 제1 및 제2변압기(T1, T2)에 연결되고, 제1 및 제2변압기(T1, T2)로부터 출력되는 변압기전압을 정류(rectifying) 한다.
예를 들어, 제1다이오드(D1)의 양극단자는 제1변압기(T1)의 제1출력단자에 연결되고, 제1다이오드(D1)의 음극단자는 제2다이오드(D2)의 음극단자, 출력인덕터(Lo)의 제1단자에 연결되고, 제2다이오드(D2)의 양극단자는 제2변압기(T2)의 제2출력단자에 연결되고, 제2다이오드(D2)의 음극단자는 제1다이오드(D1)의 음극단자, 출력인덕터(Lo)의 제1단자에 연결된다.
출력인덕터(Lo)는 제1 및 제2다이오드(D1, D2)에 연결되고, 출력커패시터(Co) 및 출력저항(Ro)은 각각 출력인덕터(Lo)에 연결되는데, 출력인덕터(Lo), 출력커패시터(Co) 및 출력저항(Ro)은 공진에 의하여 출력전압(Vo)을 출력한다.
예를 들어, 출력인덕터(Lo)의 제1단자는 제1 및 제2다이오드(D1, D2)의 음극단자에 연결되고, 출력인덕터(Lo)의 제2단자는 출력커패시터(Co) 및 출력저항(Ro)의 제1단자에 연결되고, 출력커패시터(Co) 및 출력저항(Ro)의 제2단자는 제1변압기(T1)의 제2출력단자 및 제2변압기(T2)의 제1출력단자에 연결되고, 출력전압(Vo)은 출력커패시터(Co) 및 출력저항(Ro)의 제1 및 제2단자 사이에서 출력된다.
이러한 본 발명의 제2실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터(210)는, 제1 및 제2스위치(S1, S2)가 턴-온(turn-on) 되고 클램핑스위치(Sc)가 턴-오프(turn-off) 되는 제1시간구간(도 6a의 TP1)과, 제1스위치(S1)가 턴-온 되고 제2스위치(S2) 및 클램핑스위치(Sc)가 턴-오프 되는 제2시간구간(도 6b의 TP2)과, 제1 및 제2스위치(S1, S2)가 턴-오프 되고 클램핑스위치(Sc)가 턴-온 되는 제3시간구간(도 6c의 TP3)으로 구분 구동되어 일정한 직류 출력전압(Vo)을 출력하는데, 이를 도면을 참조하여 설명한다.
도 6a, 6b 및 도 6c는 각각 본 발명의 제2실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터의 제1, 제2 및 제3시간구간의 동작상태를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터의 다수의 신호의 파형도이고, 표 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터의 제1, 제2 및 제3시간구간에서의 스위치 및 변압기의 동작상태를 도시한 표로서, 도 5를 함께 참조하여 설명한다.
[표 2]
Figure pat00002
도 6a 및 도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터(210)의 제1시간구간(TP1) 동안, 제1 및 제2게이트-소스 전압(Vgs1, Vgs2)은 각각 하이레벨이 되어 제1 및 제2스위치(S1, S2)는 각각 턴-온(turn-on) 되고, 클램핑 게이트-소스 전압(Vgsc)은 로우레벨이 되어 클램핑스위치(Sc)는 턴-오프(turn-off) 된다.
즉, 턴-온 상태의 제1 및 제2스위치(S1, S2)에서는 제1 및 제2드레인-소스 전압(Vds1, Vds2)이 각각 로우레벨이 되고 하이레벨의 제1 및 제2전류(I1, I2)가 채널을 흐르고(전류흐름), 턴-오프 상태의 클램핑스위치(Sc)에서는 클램핑 드레인-소스 전압(Vdsc)이 입력전압(Vi)과 커패시터전압(Vc)의 합인 하이레벨(Vi+Vc)이 되고 로우레벨의 클램핑전류(Ic)가 채널을 흐른다(전류차단).
이에 따라, 입력전압(Vi), 제2스위치(S2), 제1변압기(T1), 제1스위치(S1)로 이어지는 전류경로가 형성되어, 제1인덕터(L1)를 흐르는 제1인덕터전류(Il1)가 점점 증가하면서 클램핑커패시터(Cc)가 충전되고, 제2인덕터(L2)를 흐르는 제2인덕터전류(Il2)가 점점 증가하면서 하이레벨의 직류전압이 출력전압(Vo)으로 출력된다.
이때, 클램핑다이오드(Dc)의 양극단자 및 음극단자에는 각각 입력전압(Vi)(고전위전압)이 인가되므로 클램핑다이오드(Dc)에는 로우레벨의 다이오드전류(Id)가 흐른다(전류차단).
예를 들어, 입력전압(Vi)은 약 360V이고, 출력전압(Vo)은 약 14V(130A)이고, 제1 및 제2게이트-소스 전압(Vgs1, Vgs2)은 각각 약 1.0V이고, 클램핑 게이트-소스 전압(Vgsc)은 약 0V이고, 제1 및 제2드레인-소스 전압(Vds1, Vds2)은 각각 약 0V이고, 클램핑 드레인-소스 전압(Vdsc)은 약 540V이고, 제1 및 제2전류(I1, I2)는 각각 약 0A에서 약 17A로 증가하고, 클램핑전류(Ic)는 약 0A이고, 제1인덕터전류(Il1)는 약 0A에서 약 17A로 증가하고, 제2인덕터전류(Il2)는 약 3A에서 약 7A로 증가하고, 다이오드전류(Id)는 약 0A일 수 있다.
도 6b 및 도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터(210)의 제2시간구간(TP2) 동안, 제2게이트-소스 전압(Vgs2)과 클램핑 게이트-소스 전압(Vgsc)은 각각 로우레벨이 되어 제2스위치(S2)와 클램핑스위치(Sc)는 각각 턴-오프 되고, 제1게이트-소스 전압(Vgs1)은 하이레벨이 되어 제1스위치(S1)는 턴-온 된다.
즉, 턴-오프 상태의 제2스위치(S2)에서는 제2드레인-소스 전압(Vds2)이 커패시터전압(Vc)인 하이레벨이 되고, 턴-오프 상태의 클램핑스위치(Sc)에서는 클램핑 드레인-소스 전압(Vdsc)이 입력전압(Vi)인 하이레벨이 되고, 로우레벨의 제2전류(I2)와 클램핑전류(Ic)가 각각 제2스위치(S2) 및 클램핑스위치(Sc)의 채널을 흐르고(전류차단), 턴-온 상태의 제1스위치(S1)에서는 제1드레인-소스 전압(Vds1)이 로우레벨이 되고 하이레벨의 제1전류(d1)가 채널을 흐른다(전류흐름).
이에 따라, 입력전압(Vi), 클램핑다이오드(Dc), 클램핑커패시터(Cc), 제1변압기(T1), 제1스위치(S1)로 이어지는 전류경로가 형성되어, 제1인덕터(L1)를 흐르는 제1인덕터전류(Il1)가 제1시간구간(TP1)보다 작은 기울기로 점점 증가하면서 클램핑커패시터(Cc)가 충전되고, 제2인덕터(L2)를 흐르는 제2인덕터전류(Il2)가 제1시간구간(TP1)보다 작은 기울기로 점점 증가하면서 하이레벨의 직류전압이 출력전압(Vo)으로 출력된다.
이때, 클램핑다이오드(Dc)의 양극단자 및 음극단자에는 입력전압(Vi)(고전위전압) 및 커패시터전압(Vc)(고전위전압)이 인가되므로 클램핑다이오드(Dc)에는 하이레벨의 다이오드전류(Id)가 흐른다(전류흐름).
여기서, 클램핑다이오드(Dc)의 양극단자에 연결되는 제2스위치(S2)의 드레인의 전압이 클램핑다이오드(Dc)의 음극단자에 인가되는 커패시터전압(Vc)(고전위전압)보다 높은 경우에는, 제2스위치(S2)의 드레인의 전압이 커패시터전압(Vc)(고전위전압)이 될 때까지 클램핑다이오드(Dc)를 통하여 하이레벨의 다이오드전류(Id)가 흐르므로, 제2스위치(S2)의 제2드레인-소스 전압(Vds2)인 제2스위치(S2)의 전압 스트레스가 커패시터전압(Vc)(고전위전압)으로 유지(clamping)된다.
그리고, 클램핑다이오드(Dc)에 하이레벨의 다이오드전류(Id)가 흐르므로, 클램핑스위치(Sc)의 클램핑 드레인-소스 전압(Vdsc)은 입력전압(Vi)이 된다.
예를 들어, 입력전압(Vi)은 약 360V이고, 출력전압(Vo)은 약 14V(130A)이고, 제1게이트-소스 전압(Vgs1)은 약 1.0V이고, 제2게이트-소스 전압(Vgs2)과 클램핑 게이트-소스 전압(Vgsc)은 각각 약 0V이고, 제1드레인-소스 전압(Vds1)은 약 0V이고, 제2드레인-소스 전압(Vds2)은 약 180V이고, 클램핑 드레인-소스 전압(Vdsc)은 약 360V이고, 제1전류(I1)는 약 17A이고, 제2전류(I2) 및 클램핑전류(Ic)는 각각 약 0A이고, 제1인덕터전류(Il1)는 약 17A에서 약 18A로 증가하고, 제2인덕터전류(Il2)는 약 7A 에서 약 8A로 증가하고, 다이오드전류(Id)는 약 18A 일 수 있다.
도 6c 및 도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터(210)의 제3시간구간(TP3) 동안, 제1 및 제2게이트-소스 전압(Vgs1, Vgs2)은 각각 로우레벨이 되어 제1 및 제2스위치(S1, S2)는 각각 턴-오프 되고, 클램핑 게이트-소스 전압(Vgsc)은 하이레벨이 되어 클램핑스위치(Sc)는 턴-온 된다.
즉, 턴-오프 상태의 제1 및 제2스위치(S1, S2)에서는 제1 및 제2드레인-소스 전압(Vds1, Vds2)이 각각 하이레벨이 되고 로우레벨의 제1 및 제2전류(I1, I2)가 채널을 흐르고(전류차단), 턴-온 상태의 클램핑스위치(Sc)에서는 클램핑 드레인-소스 전압(Vdsc)이 로우레벨이 되고 하이레벨의 클램핑전류(Ic)가 채널을 흐른다(전류흐름).
이에 따라, 커패시터전압(Vc)을 저장하는 클램핑커패시터(Cc), 제2변압기(T2), 클램핑스위치(Sc)로 이어지는 전류경로가 형성되어, 제1인덕터(L1)를 흐르는 제1인덕터전류(Il1)가 점점 감소하면서 클램핑커패시터(Cc)가 충전되고, 제2인덕터(L2)를 흐르는 제2인덕터전류(Il2)가 점점 감소하면서 하이레벨의 직류전압이 출력전압(Vo)으로 출력된다.
이때, 클램핑다이오드(Dc)의 양극단자 및 음극단자에는 각각 제1스위치(S1)의 드레인의 전압 및 입력전압(Vi)(고전위전압)이 인가되므로 클램핑다이오드(Dc)에는 로우레벨의 다이오드전류(Id)가 흐른다(전류차단).
여기서, 클램핑다이오드(Dc)의 양극단자에 연결되는 제1스위치(S1)의 드레인의 전압이 클램핑다이오드(Dc)의 음극단자에 인가되는 입력전압(Vi)(고전위전압)보다 높은 경우에는, 제1스위치(S1)의 드레인의 전압이 입력전압(Vi)(고전위전압)이 될 때까지 클램핑다이오드(Dc)를 통하여 하이레벨의 다이오드전류(Id)가 흐르므로, 제1스위치(S1)의 제1드레인-소스 전압(Vds1)인 제1스위치(S1)의 전압 스트레스(stress)가 입력전압(Vi)(고전위전압)으로 유지(clamping)된다.
그리고, 클램핑스위치(Sc)가 턴-온 상태이므로, 턴-오프 상태의 클램핑 드레인-소스 전압(Vdsc)인 입력전압(Vi)이 제1스위치(S1)로 전달되어 턴-오프 상태의 제1스위치(S1)의 제1드레인-소스 전압(Vds1)인 제1스위치(S1)의 전압 스트레스가 입력전압(Vi)으로 유지(clamping)된다.
예를 들어, 제1 및 제2게이트-소스 전압(Vgs1, Vgs2)은 각각 약 0V이고, 클램핑 게이트-소스 전압(Vgsc)은 약 1.0V이고, 제1 및 제2드레인-소스 전압(Vds1, Vds2)은 각각 약 350V 및 약 180V이고, 클램핑 드레인-소스 전압(Vdsc)은 약 0V이고, 제1 및 제2전류(I1, I2)는 각각 약 0A이고, 클램핑전류(Ic)는 약 18A에서 약 -5A로 감소하고, 제1인덕터전류(Il1)는 약 18A에서 약 -5A로 감소하고, 제2인덕터전류(Il2)는 약 8A 에서 약 3A로 감소하고, 다이오드전류(Id)는 약 0A 일 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터(210)에서는, 제2 및 제3시간구간(TP2, TP3) 동안, 클램핑다이오드(Dc)를 이용하여 제2스위치(S2)에 대한 클램핑을 수행하고, 제3시간구간(TP3) 동안, 클램핑다이오드(Dc) 및 클램핑스위치(Sc)를 이용하여 제1스위치(S1)에 대한 클램핑을 수행함으로써, 제1스위치(S1)의 제1드레인-소스 전압(Vds1)인 전압 스트레스를 입력전압(Vi)으로 제한하고, 제2스위치(S2)의 제2드레인-소스 전압(Vds2)인 전압 스트레스를 커패시터전압(Vc)으로 제한할 수 있다.
따라서, 제1 및 제2스위치(S1, S2)에 대한 전압 스트레스가 감소되고, 그에 따라 온 저항(on resistance)이나 다이오드의 포워드전압(forward voltage)이 상대적으로 작은 소자를 제1 및 제2스위치(S1, S2)로 사용하여 컨버터의 전체 효율이 개선되고 고전력에 용이하게 적용할 수 있게 된다.
그리고, 제2시간구간(TP2) 동안 제1 및 제2스위치(S1, S2)를 각각 턴-온 및 턴-오프 함으로써, 클램핑다이오드(Dc) 및 제1스위치(S1)를 통해서만 전류가 흐르도록 할 수 있으며, 그 결과 컨버터의 변압기전류인 제1 및 제2인덕터전류(Il1, Il2)와 소비전력을 감소시킬 수 있다.
또한, 클램핑다이오드(Dc)를 1개로 감소시킴으로써, 컨버터의 크기를 감소시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
210: 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터
Vi: 입력전압 Vo: 입력전압
S1, S2: 제1 및 제2스위치 Sc: 클램핑스위치
Dc: 클램핑다이오드 Cc: 클램핑커패시터
L1, L2: 제1 및 제2인덕터 T1, T2: 제1 및 제2변압기
D1, D2: 제1 및 제2다이오드 Lo: 출력인덕터
Co: 출력커패시터 Ro: 출력저항

Claims (7)

  1. 입력전압의 저전위단자 및 고전위단자에 각각 연결되는 제1 및 제2스위치와;
    상기 제2스위치에 연결되는 제1인덕터와;
    상기 제1인덕터와 상기 제1스위치 사이에 연결되는 제2인덕터와;
    상기 제2인덕터 및 상기 제1스위치에 연결되는 클램핑스위치와;
    상기 제2스위치와 상기 클램핑스위치 사이에 연결되는 클램핑다이오드 및 클램핑커패시터와;
    상기 제2인덕터에 병렬 연결되는 제1 및 제2변압기와;
    상기 제1 및 제2변압기에 연결되는 출력부
    를 포함하는 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 클램핑다이오드는, 턴-온 상태의 상기 제1스위치와 전류경로를 형성하여 변압기전류를 감소시키는 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1스위치는, 제1게이트-소스 전압에 따라 상기 입력전압과 상기 제2인덕터의 전기적 연결을 스위칭 하고,
    상기 제2스위치는, 제2게이트-소스 전압에 따라 상기 입력전압과 상기 제1인덕터의 전기적 연결을 스위칭 하고,
    상기 클램핑스위치는, 클램핑 게이트-소스 전압에 따라 상기 클램핑커패시터와 상기 제2인덕터의 전기적 연결을 스위칭 하는 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1스위치의 게이트는 상기 제1게이트-소스 전압에 연결되고, 상기 제1스위치의 소스는 상기 입력전압의 상기 저전위단자에 연결되고, 상기 제1스위치의 드레인은 상기 클램핑스위치의 소스, 상기 제2인덕터의 제2단자에 연결되고,
    상기 제2스위치의 게이트는 상기 제2게이트-소스 전압에 연결되고, 상기 제2스위치의 소스는 상기 제1인덕터의 제1단자, 상기 클램핑커패시터의 제1단자에 연결되고, 상기 제2스위치의 드레인은 상기 입력전압의 고전위단자, 상기 클램핑다이오드의 양극단자에 연결되고,
    상기 클램핑스위치의 게이트는 상기 클램핑 게이트-소스 전압에 연결되고, 상기 클램핑스위치의 소스는 상기 제1스위치의 드레인, 상기 제2인덕터의 제2단자에 연결되고, 상기 클램핑스위치의 드레인은 상기 클램핑다이오드의 음극단자, 상기 클램핑커패시터의 제2단자에 연결되는 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 클램핑다이오드의 양극단자는 상기 입력전압의 상기 고전위단자, 상기 제2스위치의 드레인에 연결되고, 상기 클램핑다이오드의 음극단자는 상기 클램핑스위치의 드레인, 상기 클램핑커패시터의 제2단자에 연결되고,
    상기 클램핑커패시터의 제1단자는 상기 제2스위치의 소스, 상기 제1인덕터의 제1단자에 연결되고, 상기 클램핑커패시터의 제2단자는 상기 클램핑다이오드의 음극단자, 상기 클램핑스위치의 드레인에 연결되고,
    상기 제1인덕터의 제1단자는 상기 제2스위치의 소스, 상기 클램핑커패시터의 제1단자에 연결되고, 상기 제1인덕터의 제2단자는 상기 제2인덕터의 제1단자에 연결되고,
    상기 제2인덕터의 제1단자는 상기 제1인덕터의 제2단자에 연결되고, 상기 제2인덕터의 제2단자는 상기 제1스위치의 드레인, 상기 클램핑스위치의 소스에 연결되는 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력부는,
    상기 제1 및 제2변압기에 각각 연결되는 제1 및 제2다이오드와;
    상기 제1 및 제2다이오드에 연결되는 출력인덕터와;
    상기 출력인덕터에 연결되는 출력커패시터 및 출력저항
    을 포함하는 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터.
  7. 제1 및 제2스위치, 제1 및 제2인덕터, 클램핑스위치, 클램핑다이오드, 클램핑커패시터, 제1 및 제2변압기, 출력부를 포함하는 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터의 구동방법에 있어서,
    제1시간구간 동안, 상기 제1 및 제2스위치를 각각 턴-온(turn-on) 하고, 상기 클램핑스위치를 턴-오프(turn-off) 하여, 입력전압, 상기 제2스위치, 상기 제1변압기, 제1스위치로 이어지는 전류경로를 형성하는 단계와;
    제2시간구간 동안, 상기 제1스위치를 턴-온하고, 상기 제2스위치와 상기 클램핑스위치를 각각 턴-오프 하여, 상기 입력전압, 상기 클램핑다이오드, 상기 클램핑커패시터, 상기 제1변압기, 상기 제1스위치로 이어지는 전류경로를 형성하는 단계와;
    제3시간구간 동안, 상기 제1 및 제2스위치를 턴-오프 하고, 상기 클램핑스위치를 턴-온 하여, 상기 클램핑커패시터, 상기 제2변압기, 상기 클램핑스위치로 이어지는 전류경로를 형성하는 단계
    를 포함하는 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터의 구동방법.

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