KR20190090661A - 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 dc/dc 플라이백 컨버터 - Google Patents

풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 dc/dc 플라이백 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터는, DC 전압을 발생시키는 전압원; 리딩 레그(Leading Leg)와 래깅 레그(Lagging Leg)를 병렬로 연결하여 상기 DC 전압을 위상 천이(Phase Shift) PWM 방식으로 스위칭하여 고주파의 AC 구형파 전압으로 변환하는 풀-브리지 회로; 상기 풀-브리지 회로로부터의 고주파의 AC 구형파 전압을 권선비로 변압하는 변압기; 및 상기 변압기로부터의 권선비로 변압된 고주파의 AC 구형파 전압을 정류하여 부하에 전달하는 정류 회로를 포함하며, 상기 풀-브리지 회로와 상기 변압기 사이에 직렬 커패시터를 형성시킨다.

Description

풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터{DC/DC flyback converter having three tap output for Full-bridge DC-DC converter}
본 발명은 DC-DC 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 직렬 공진 커패시터를 이용하고 실제 고주파 변압기의 누설 인덕턴스를 공진 인덕턴스로 이용하여 컨버터의 고효율화 및 단순화를 함께 달성하는 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터에 관한 것이다.
일반적으로, 펄스-폭 변조(PWM: Pulse-Width Modulation) 방식의 컨버터에서는 컨버터의 전체 크기를 최소화하기 위하여 고주파수로 스위칭을 한다. 그러나, 만약 컨버터를 단순히 고주파수로만 스위칭하면 스위칭 손실 역시 스위칭 주파수에 비례하여 증가하므로 컨버터의 효율이 현저히 저하되는 악영향을 초래하게 된다. 그러므로, 고주파수로 동작하는 PWM 방식의 컨버터에서는, 컨버터의 스위칭 손실을 최소화하는 방안을 강구하여야 한다. 그리하여 최근, 고주파 전력 변환을 위해 종래의 PWM 컨버터에서 스위칭 손실을 줄이는 다양한 기법의 컨버터 토폴로지들 및 제어 기술들이 제안되고 있다. 이 중에서, 풀-브리지 전압스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching) DC-DC 컨버터는 스위칭 손실의 주요 단점을 극복하고, ZVS의 의사-공진형 컨버터와 PWM 기술의 양쪽이점을 함께 이용한다. 따라서, 이 풀-브리지 ZVS DC-DC 컨버터가 많은 애플리케이션을 위해 가장 바람직한 것으로 생각된다. 이러한 컨버터 타입은 위상 천이(Phase Shift) PWM 방식에 의해 제어되며, 공진 회로 부품의 추가 없이 스위치의 기생 커패시터와 공진 인덕터 사이의 공진을 이용하여 ZVS를 달성한다. 그러면, 스위칭 손실이 저감되고, 스위치의 전압 스트레스가 상대적으로 낮아지는 장점이 생긴다. 또한, 컨버터가 고정 주파수로 동
작하기 때문에, 컨버터 회로의 설계 최적화를 용이하게 달성할 수 있다.
그러나, 종래의 풀-브리지 ZVS DC-DC 컨버터는 좁은 ZVS 범위, 실효 턴-온 듀티의 손실 및 출력 부하에 의존적 인 DC 특성 등과 같은 몇 가지 단점을 가진다. 또한, 종래의 풀-브리지 ZVS DC-DC 컨버터는 1차측 스위치의 기생 커패시턴스의 방전을 위해 공진 인덕터 에너지를 이용하여 전체 부하 범위에서 ZVS를 달성하기 때문에, 경부하(輕負荷)에서도 ZVS를 보장하기 위해 매우 큰 공진 인덕턴스를 필요로 한다. 그러나, 이러한 큰 공진 인덕턴스는 정격 부하 조건에서 큰 환류 전류(Freewheeling Current)를 야기시키므로, 전도 손실과 1차측 스위치들의 전압/전류 스트레스를 유발하고 스위치의 턴-오프 스위칭 손실을 초래한다. 또한, 종래의 풀-브리지 ZVS DC-DC 컨버터에서는 2차측 정류 다이오드의 기생 커패시터와 공진 인덕턴스로 인하여 컨버터 스위칭 시 링(Ring) 현상이 발생하고, 이는 스위칭 노이즈 및 스위칭 손실로 이어지게 만든다.
이에, 이러한 단점을 극복하기 위한 방법들이 많이 제안되었다. 이들 방법 중의 하나에서는, 전체 부하 범위에서 1차측 스위치의 ZVS를 달성하기 위해 종래 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터의 양쪽 레그(Leg)에 병렬 타입의 수동 보조 회로를 연결하였다([6]). 그러나, 이러한 방법은 보조 회로를 통해 흐르는 전류로 인하여 전도손실이 증가하고, 중부하(重負荷)에서 전력 변환 효율을 감소시키는 문제가 있다. 그래서 이 문제를 해결하기 위해, 중부하(重負荷) 조건에서 전도 손실 및 큰 턴-온 듀티 손실을 감소시킬 수 있도록 수정된 어댑티브 보조회로 및 관련 제어 기술을 도입하였다. 그런데, 이 기술은 상기한 문제에 있어 국부적인 해결 방법을 제공할 수는 있지만, 고가이며 부피가 큰 시스템을 초래한다. 한편 또 다른 한 기법으로써, 직렬 부스트 커패시터(Series Boost Capacitor)를 삽입하고, 컨버터의 1차측에서 환류 전류와 출력 인덕터의 리플 전류를 감소시키기 위해 펄스-주파수 변조(PFM: Pulse-Frequency Modulation) 기법을 적용하였다([10]). 그러나, 이 기술은 컨버터의 PFM 스위칭 동작으로부터 기인하는 스위칭 주파수의 변동으로 인하여, 자성 부품의 설계 최적화가 어렵다는 문제가 있다. 한편 컨버터의 2차측에 액티브 스위치를 가지는 보조 회로를 첨가하였고, 래깅 레그(Lagging Leg)의 영전류스위칭(ZCS: ZeroCurrent Switching)을 위해 주 변압기의 제3 보조 권선을 가지는 또 다른 보조 회로를 제안하기도 하였다. 또한 환류 전류를 감소시키기 위해 컨버터 1차측에 블로킹 커패시터 및 포화(Saturable) 인덕터와 몇 개의 보조 부품을 삽입하였다. 그러나, 액티브 스위치 또는 제3 보조 권선을 가지는 보조 회로를 사용하는 것은 컨버터의 가격 상승 및 부피가 커지는 문제가 있고, 포화(Saturable) 인덕터는 열문제를 발생시키는 단점이 있다.
또한, 보통은 저전압, 고전류 출력의 DC-DC 컨버터의 변압기 양측의 전류 스트레스를 감소시키기 위해, 출력 필터 인덕터가 이용되는 것이 합리적이다. 그러나, 이는 코어 및 전도 손실과 같은 큰 전력 손실을 발생시키고, DC-DC 컨버터의 가격 상승 및 부피가 커지는 문제를 유발할 뿐만 아니라, 컨버터 스위치의 ZVS 동작을 달성하기 위해 매우 큰 순환 에너지를 필요로 하게 만든다. 그래서 이러한 여러 문제들을 해결하기 위하여, 간단한 구조, 우수한 ZVS 동작, 1차측 전력 스위치의 저전압 스트레스 등의 양호한 특성을 가지는 풀-브리지 LLC 공진 컨버터를 이용하기도 한다. 그러나, 이 컨버터 또한, 변압기 양측에서 더 큰 전류 스트레스와 큰 전도 손실을 가지는 등 동일한 문제점을 가지므로 종래의 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터의 단점을 극복하는데 다소한계를 가진다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0064605호(공개일 2011.06.15.)
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로써, 본 발명의 목적은 이상적인 변압기(Ideal Transformer)와 자화 인덕턴스(Magnetizing Inductance)가 병렬형태로 형성되고 누설 인덕턴스 Lk(Leakage Inductance)를 내재하여 포함하는 것으로 모델링되고 산업현장에서 흔히 이용되는 실제 고주파 변압기에 내재하는 누설 인덕턴스를 공진 인덕턴스로 이용하고 직렬 공진 커패시터를 이용하여 컨버터 1차측 스위치의 ZVS를 달성하고 고순환 전류를 감소시킬 수 있도록 하는 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터는, DC 전압을 발생시키는 전압원; 리딩 레그(Leading Leg)와 래깅 레그(Lagging Leg)를 병렬로 연결하여 상기 DC 전압을 위상 천이(Phase Shift) PWM 방식으로 스위칭하여 고주파의 AC 구형파 전압으로 변환하는 풀-브리지 회로; 상기 풀-브리지 회로로부터의 고주파의 AC 구형파 전압을 권선비로 변압하는 변압기; 및 상기 변압기로부터의 권선비로 변압된 고주파의 AC 구형파 전압을 정류하여 부하에 전달하는 정류 회로를 포함하며, 상기 풀-브리지 회로와 상기 변압기 사이에 직렬 커패시터를 형성시킨다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터에 따르면, 직렬 공진 인덕턴스 역할을 하는 변압기 내의 누설 인덕턴스와 직렬 공진 커패시터를 이용하여 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터의 1차측 스위치의 ZVS를 달성함과 동시에 순환 전류를 감소시킴으로써 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 변압기에 내재하는 누설 인덕턴스를 공진 인덕턴스로 사용하기 때문에, 별도의 공진 인덕턴스를 사용하지 않으므로 그 구조가 단순화되는 장점이 있다.
이와 같이, 본 발명은 종래 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터의 단점인 큰 전도 손실과 저효율을 극복할 수 있으며, 광범위한 입력 전압에 걸쳐 동작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터의 회로도이다.
본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은 이상적인 변압기(Ideal Transformer)와 자화 인덕턴스(Magnetizing Inductance)가 병렬형태로 형성되고 누설 인덕턴스(Leakage Inductance)를 내재하여 포함하는 것으로 모델링되고 산업현장에서 흔히 이용되는 실제 고주파 변압기에 내재하는 누설 인덕턴스를 공진 인덕턴스로 이용하고 직렬 공진 커패시터를 이용한 고효율 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터에 관한 것이다. 본 발명에서는 누설 공진 인덕턴스 및 직렬 공진 커패시터를 이용하여 광범위한 부하 조건에서 1차측 스위치의 ZVS를 달성하고, 환류 모드에서 고순환 전류를 감소시킨다. 따라서, 종래의 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터의 단점을 극복하고, 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있으며, 변압기의 누설인덕턴스를 공진 인덕턴스로 이용하여 별도의 공진 인덕턴스를 생략함으로써 그 구조를 단순화시킬 수 있고, 광범위한 입력 전압에서 동작할 수 있다. 본 발명에서는 컨버터의 동작 원리, 분석 및 설계예를 상세하게 설명하고, 분석 및 설계예에 기초하여 구현된 프로토타입의 실험 결과에 의하여 본 발명의 동작, 유효성 및 특징을 확인한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터는, DC 전압을 [0021] 발생시키는 전압원(Vin)과, 스위치(S1,S4)를 포함하는 리딩 레그와 스위치(S2,S3)를 포함하는 래깅 레그를 병렬로 연결하여 DC 전압을 위상 천이(Phase Shift) PWM 방식으로 스위칭함으로써 고주파의 AC 구형파 전압으로 변환하는 풀-브리지 회로(1)와, 풀-브리지 회로로부터의 고주파의 AC 구형파 전압을 권선비로 변압하는 이상적인 변압기(Ideal Transformer, 21)와 자화 인덕턴스(Magnetizing Inductance, )가 병렬형태로 형성되고 누설 인덕턴스(Leakage Inductance, Lm)를 내재하여 포함하는 것으로 모델링되고 산업현장에서 흔히 이용되는 실제 고주파 변압기(2)와, 변압기로 부터의 권선비로 변압된 고주파의 AC 구형파 전압을 정류하여 부하에 전달하는 정류 회로(3)를 포함하며, 풀-브리지 회로와 변압기 사이에 직렬 커패시터 과 누설 인덕턴스 Lk를 형성시키고 있다.
일례로서, 직렬 커패시터 은 리딩 레그와 변압기(2)에 형성되어 병렬로 연결된 이상적인 변압기(21)와 자화인덕턴스 의 일단에 연결되며, 변압기(2)의 누설 인덕턴스 Lk의 일단이 변압기(2)에 형성되어 병렬로 연결된 이상적인 변압기(21) 및 자화 인덕턴스 Lm의 타단에 연결되고 누설 인덕턴스 Lk의 타단은 래깅 레그에 연결된다. 이때 물론, 직렬 커패시터 과 누설 인덕턴스 Lk의 연결 위치는 상호 교환이 가능하다.
이와 같이 본 발명의 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터는, 1차측 스위치의 ZVS 동작과 고순환 전류를 감소시키기 위해, 변압기(2)의 누설 인덕턴스 Lk와 직렬 커패시터 을 이용하고, DC 출력 필터 인덕턴스는 생략된다. 변압기(2)의 누설 인덕턴스 Lk는 공진 인덕턴스로 사용되며, 직렬 커패시터 은 종래 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터의 기본 구조에 단순히 직렬 삽입되어 공진 커패시턴스로써 이용된다. 따라서, 본 발명의 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터는 간단한 구조를 가지며, 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

  1. DC 전압을 발생시키는 전압원;
    리딩 레그(Leading Leg)와 래깅 레그(Lagging Leg)를 병렬로 연결하여 상기 DC 전압을 위상 천이(Phase Shift) PWM 방식으로 스위칭하여 고주파의 AC 구형파 전압으로 변환하는 풀-브리지 회로;
    상기 풀-브리지 회로로부터의 고주파의 AC 구형파 전압을 권선비로 변압하는 변압기; 및
    상기 변압기로부터의 권선비로 변압된 고주파의 AC 구형파 전압을 정류하여 부하에 전달하는 정류 회로를 포함하며,
    상기 풀-브리지 회로와 상기 변압기 사이에 직렬 커패시터를 형성시킨 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변압기는, 이상적인 변압기(Ideal Transformer)와 자화 인덕턴스(Magnetizing Inductance)가 병렬형태로 형성되고 누설 인덕턴스(Leakage Inductance)를 내재하여 포함하는 것으로 모델링되는 고주파 변압기로 상기 누설 인덕턴스를 공진 인덕턴스로 이용하는 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 직렬 커패시터는 상기 리딩 레그와 상기 변압기에 형성되어 병렬로 연결된 이상적인 변압기(Ideal Transformer)와 자화 인덕턴스(Magnetizing Inductance)의 일단에 연결되며, 상기 변압기의 누설 인덕턴스의 일단이 상기 변압기에 형성되어 병렬로 연결된 이상적인 변압기 및 자화 인덕턴스의 타단에 연결되고 누설 인덕턴스의 타단은 래깅 레그에 연결되는 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 직렬 커패시터와 상기 누설 인덕턴스의 위치는 상호 교환 가능한 풀-브릿지 컨버터 구동용 3탭 출력을 가진 DC/DC 플라이백 컨버터.
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KR20110064605A (ko) 2009-12-08 2011-06-15 성호전자(주) 위상-천이 풀-브릿지 컨버터 회로

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