KR20200014214A - 공진형 dc-dc 전압 변환기 - Google Patents

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KR20200014214A
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main resonant
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보리스 부셰
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발레오 지멘스 이오토모티브 노르웨이 에이에스
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Abstract

공진형 DC-DC 전압 변환기
본 발명의 주제는 특히 전기 또는 하이브리드 차량용 공진형 DC-DC 전압 변환기(10-1)이며, 상기 변환기(10-1)는 n개의 인터리브된 메인 공진 회로를 포함하며, n은 2 이상의 자연 정수이고,
-상기 메인 공진 회로는 상기 변환기의 그라운드(M1, M2)와 상이한 적어도 하나의 중성점(PN1, PN2)에서 함께 연결되고,
-상기 중성점(PN1, PN2)은 에너지를 저장하며 상기 공진형 DC-DC 변환기의 스위치들의 제로 전압 스위칭을 가능하게 하도록 구성된 임피던스(Z1, Z2)에 의해, 상기 변환기의 상기 그라운드(M1, M2)에 연결된다.

Description

공진형 DC-DC 전압 변환기{RESONANT DC-DC VOLTAGE CONVERTER}
일반적으로, 본 발명은 특히 전기 시스템의 분야에서의 공진형 DC-DC 전압 변환기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전기 또는 하이브리드 엔진이 장착된 자동차와 같이, 전원 배터리의 재충전을 위해 특히 자동차에 탑재되도록 구성된 변환기에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 차량의 전기 장비의 아이템들에 대한 전력 공급을 위한 저전압 전원 배터리 및 차량의 추진에 기여하는 고전압 전원 배터리를 포함하는 전기 또는 하이브리드 차량과 관련하여, 통상 당업자에 의해 약어 OBC로 지시되는 온보드 충전기(on board charger)는 공진형 DC-DC 전압 변환기를 포함하며, 이는 고전압 전원 배터리를 충전하기 위해 사용되는 것으로 알려져 있다.
따라서, 본 발명은 공진형 DC-DC 전압 변환기뿐만 아니라 그러한 변환기를 포함하는 전기 충전기에 관한 것이다. 전기 충전기는 특히 차량의 고전압 전원 배터리의 전기 충전 및/또는 상기 고전압 전원 배터리에 의한 전기 에너지의 차량 외부, 예컨대 전기 네트워크, 장비 또는 건물로의 공급을 가능하게 하기 위해 전기 또는 하이브리드 차량에 탑재된다.
공지된 바와 같이, 전기 또는 하이브리드 자동차 차량은 온보드 고전압 전기 네트워크를 통해 고전압 전원 배터리에 의해 공급되는 전기 모터 시스템, 및 온보드 저전압 전기 네트워크를 통해 저전압 전원 배터리에 의해 공급되는 전기 장비의 복수의 보조 아이템을 포함한다. 따라서, 고전압 전원 배터리는 차량의 추진을 가능하게 하는 에너지를 전기 모터 시스템에 공급하는 기능을 보장한다. 저전압 전원 배터리는 온보드 컴퓨터, 윈도우 와인더 모터, 멀티미디어 시스템 등과 같은 전기 장비의 보조 아이템들에 공급한다. 고전압 전원 배터리는 일반적으로 100V와 900V 사이, 바람직하게는 100V와 500V 사이의 전압을 전달하는 반면, 저전압 전원 배터리는 일반적으로 12V, 24V 또는 48V 정도의 전압을 전달한다. 이러한 두 개의 고전압 및 저전압 전원 배터리는 충전될 수 있어야 한다.
고전압 전원 배터리를 전기 에너지로 재충전하는 것은 차량의 직류 고전압 전기 네트워크를 통해 외부 전원 공급 네트워크, 예를 들어 가정용 AC 전기 공급 네트워크에 연결함으로써 공지된 방식으로 수행된다. 이를 위해 고전압 전원 배터리는 OBC로 지시되는 온보드 전기 충전기를 통해 충전을 위해 가정용 AC 전기 공급 네트워크에 연결될 수 있다.
공지된 해결책에서, 그러한 온보드 충전기는 주로 PFC(역률 보정) 회로 및 공진형 DC-DC 전압 변환기를 포함하고, 이는 AC 네트워크와 DC 네트워크 사이에 전기 절연을 형성하는 것을 가능하게 한다. 전기 또는 하이브리드 차량 애플리케이션에서, 예를 들어 그것들을 병렬로 연결하여 필요한 전력을 생산할 수 있도록 여러 개의 DC-DC 전압 변환기를 사용할 필요가 있을 수 있다. 그러나, 이러한 구성은 구성 요소의 과열을 야기하는 필터의 사용을 필요로 할 수 있다. 이러한 단점을 극복하기 위한 공지된 방법은 변환기 세트 1을 형성하는 3 개의 변환기에 대한 예로서 도 1에 나타낸 바와 같이, DC-DC 전압 변환기를 인터리빙하는 것이다. 이러한 인터리빙은 동일한 주파수에서 변환기를 관리하는 것을 가능하게 한다.
공진형 DC-DC 전압 변환기의 여러 토폴로지가 존재한다. 이러한 토폴로지 중에는 LLC 타입의 변환기가 특히 우수하다. 이러한 변환기는 공지된 방식으로 1 차측 및 2 차측을 포함하는 변압기; 커패시터; 2 개의 코일; 및 상기 1 차측에 전달된 제 1 DC 전압을 상기 2 차측에 의해 공급되는 제 2 DC 전압으로 변환할 수 있도록 스위칭되는 스위치를 포함한다. 스위치들의 스위칭에 의한 손실을 줄이기 위해, 각각의 스위치와 병렬로 커패시터를 추가하는 것이 공지되어 있고, 그러한 구성은 당업자가 ZVS(제로 전압 스위칭) 동작으로 알고 있는 것을 가능하게 한다. LC 타입의 회로에서, Lr은 예컨대 코일과 같은 유도성 소자를 나타내고, Cr은 공진 커패시터를 나타내고, ZVS 동작은 고전압 애플리케이션에서 영구적인 방법으로 구현될 수 없다. 실제로, 이러한 ZVS 동작은 코일(Lr)에 에너지를 저장하는 것을 필요로 한다. 그러나, 이러한 공진형 DC-DC 전압 변환기가 오늘날의 전기 또는 하이브리드 차량에서 작동하는 400V 이상의 전압 값에서, 스위치를 통과하는 에너지는 더 이상 코일(Lr)에 완전히 저장될 수 없고, 이는 스위치들의 레벨에서 스위칭함으로써 손실을 초래한다. LLC 타입의 회로는 Lm으로 표시된 두 번째 유도성 소자를 추가함으로써 LC 타입의 회로에 비해 추가 에너지를 저장할 수 있기 때문에, 이러한 단점을 부분적으로 극복할 수 있게 한다. 그러나, 제 2 유도성 소자가 변압기의 1 차측에 통합되는 경우, 에너지의 저장은 변압기의 특정 구성을 필요로 하며, 이는 원래의 에너지를 저장하도록 적응되지 않는다. 또한, 변압기의 1 차측이 에너지를 저장할 수 있도록 하기 위하여, 변압기의 코어, 특히 1 차측에 에어 갭을 형성하는 것이 공지되어 있다. 그렇게 함으로써, 변압기를 제조하기에 보다 복잡하고 더 비싸지게 하고, 전자기 교란을 증가시키고, 열 손실을 초래할 수 있는 "프린징 효과(fringing effects)"로 당업자에게 알려진 것을 생성할 수 있다.
따라서, 적어도 부분적으로는 이러한 단점들을 극복할 수 있게 하는 전기 충전기의 간단하고, 신뢰성 있고, 효율적인 해결책에 대한 필요성이 존재한다.
이를 위해, 본 발명은 특히 전기 또는 하이브리드 차량용 공진형 DC-DC 전압 변환기에 관한 것으로서, 상기 변환기는 n 개의 인터리브된 메인 공진 회로를 포함하고, 여기서 n은 2 이상의 자연 정수이고;
-상기 메인 공진 회로는 변환기의 그라운드와 상이한 동일한 중성점에서 연결되고,
-상기 중성점은 에너지를 저장하며 공진형 DC-DC 변환기의 스위치의 제로 전압 스위칭을 가능하게 하도록 구성된 임피던스에 의해 변환기의 그라운드에 연결된다.
상기 임피던스로 인해, 공진형 DC-DC 전압 변환기는 변환기의 동작 지점, 즉 그 입력 전압-출력 전압 쌍(pairing)이 무엇이든 제로 전압 스위칭(ZVS)을 구현하기 위해 에너지를 저장할 수 있다. 따라서, 공진형 DC-DC 전압 변환기는 변환기의 출력에 인가된 전하와 독립적으로 ZVS로 동작할 수 있다. 이러한 특징은 변환기의 동작 지점이 무엇이든 ZVS로 작동할 수 있게 하기 때문에, 메인 공진 회로가 LC 타입인 경우에 특히 적합한다. 임피던스는 특히 고조파가 랭크 n의 배수인 전류에 대한 에너지의 저장을 가능하게 하는데, 여기서 n은 메인 공진 회로의 수이다. 중성점(neutral point)은 모든 메인 공진 회로가 연결된 전기 노드를 의미하는 것으로 간주된다. 특히, 상기 전기 노드는 각각의 메인 공진 회로로부터 전류를 수신하고, 이 전류는 메인 공진 회로의 출력을 결정한다.
대안에 따르면, 상기 임피던스는 인덕턴스, 특히 커패시터와 직렬인 인덕턴스를 포함한다.
대안에 따르면, 상기 임피던스는 상기 메인 공진 회로와 상이한 보조 공진 회로를 형성한다. 특히, 보조 공진 회로는 LC, LLC 타입, 또는 공진 회로의 다른 타입의 회로를 형성한다. 특히, 상기 보조 공진 회로는 커패시터와 직렬인 인덕턴스 또는 커패시터와 병렬인 인덕턴스를 포함한다. 보조 공진 회로의 공진 주파수는 DC-DC 전압 변환기의 특정 동작 범위에서 제로 전압 스위칭을 향상시키는 것을 가능하게 한다.
대안에 따르면, 각각의 메인 공진 회로는 적어도 하나의 1 차 권선 및 적어도 하나의 2 차 권선을 포함하는 변압기를 포함하고, 상기 중성점은 각각의 메인 공진 회로의 변압기의 권선의 단자에 연결된다. 특히, 상기 메인 공진 회로의 변압기는 공진형 DC-DC 변환기의 입력과 출력 사이에 에너지를 전달하도록 구성된다. 특히, 복수의 1 차 권선은 2 개의 권선 사이에 전기적 연결을 형성하지 않도록, 복수의 2 차 권선과 전기 절연되어 있다.
대안에 따르면, 제 1 중성점은 각각의 메인 공진 회로의 변압기의 1 차 권선에 연결된다. 바꾸어 말하면, 상기 변압기의 1 차 권선은 변환기의 그라운드와 상이한 "제 1 중성점"이라 불리는 동일한 중성점의 레벨에서 함께 연결된다. 특히, 제 1 중성점은 1 차측 그라운드 또는 2 차측 그라운드와 상이하다. 제 1 중성점은 에너지를 저장하며 공진형 DC-DC 변환기의 스위치의 제로 전압 스위칭을 가능하게 하도록 구성된 임피던스에 의해 변환기의 그라운드, 특히 1 차측 그라운드에 연결된다. 제 1 중성점에 연결된 임피던스 덕분에, 변환기는 변환기의 1 차측에 위치한 변환기의 스위치에 대해 제로 전압 스위칭을 구현할 수 있다. 특히, 변압기의 상기 1 차 권선들 중 하나를 포함하는 브랜치들 각각은 제 1 중성점의 레벨에서 연결된다.
대안에 따르면, 변환기의 메인 공진 회로는 메인 공진 회로에서 순환하는 에너지를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 스위치를 포함하는 각각의 입력 구조에 각각 연결되고, 제 1 중성점에 연결된 임피던스는 에너지를 저장하며 상기 입력 구조의 스위치들의 제로 전압 스위칭을 가능하게 하도록 구성된다. 특히, 입력 구조는 메인 공진 회로의 변압기의 1 차측에 연결된다. 특히, 입력 구조는 상부 스위치 및 중간 지점의 레벨에서 연결된 하부 스위치를 포함하는 하프-브릿지 구조를 포함하고, 상기 중간 지점은 각각의 메인 공진 회로에 연결된다.
대안에 따르면, 제 2 중성점은 각각의 메인 공진 회로의 변압기의 2 차 권선에 연결된다. 바꾸어 말하면, 상기 변압기의 2 차 권선은 변환기의 그라운드와 상이한 "제 2 중성점"이라 불리는 동일한 중성점의 레벨에서 함께 연결된다. 특히, 제 2 중성점은 1 차측 그라운드 또는 2 차측 그라운드와 상이하다. 제 2 중성점은 에너지를 저장하며 공진형 DC-DC 변환기의 스위치의 제로 전압 스위칭을 가능하게하도록 구성된 임피던스에 의해 변환기의 그라운드, 특히 2 차측 그라운드에 연결된다. 제 2 중성점에 연결된 임피던스로 덕분에, 변환기는 변환기의 2 차측에 위치한 변환기의 스위치에 대해 제로 전압 스위칭을 구현할 수 있다. 특히, 변압기의 상기 2 차 권선 중 하나를 포함하는 브랜치들 각각은 제 2 중성점의 레벨에서 연결된다.
대안에 따르면, 변환기의 메인 공진 회로는 각각의 메인 공진 회로에서 순환하는 에너지를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 스위치를 포함하는 각각의 출력 구조에 연결되고, 제 2 중성점에 연결된 임피던스는 에너지를 저장하며 상기 출력 구조의 스위치의 제로 전압 스위칭을 가능하게 하도록 구성된다. 특히, 출력 구조는 메인 공진 회로의 변압기의 2 차측, 특히 2 차 권선에 연결된다. 특히, 출력 구조는 상부 스위치 및 중간 지점의 레벨에서 연결된 하부 스위치를 포함하는 하프-브릿지 구조를 포함하고, 상기 중간 지점은 각각의 메인 공진 회로에 연결된다.
특히, 제 1 중성점은 제 2 중성점과 상이하다. 특히, 제 1 중성점은 1 차 권선에만 연결, 및/또는 제 2 중성점은 제 2 권선에만 연결된다.
대안에 따르면, 각각의 메인 공진 회로는 적어도 하나의 제 1 유도성 소자, 및 상기 제 1 유도성 소자에 연결되며 서로 공진하도록 구성된 공진 커패시터를 포함한다. 특히, 상기 제 1 유도성 소자, 공진 커패시터 및 변압기의 1 차 권선은 "공진 브랜치"로 지시되는, 메인 공진 회로의 브랜치에 포함된다. 특히, 제 1 중성점은 메인 공진 회로의 공진 브랜치에 연결된다.
대안에 따르면, 각각의 메인 공진 회로는 적어도 LC 타입이다.
특히, 각각의 메인 공진 회로의 변압기는 제 2 유도성 소자를 포함한다. 제 2 유도성 소자는 LLC 타입의 메인 공진 회로를 형성하기 위해 1 차 권선과 병렬로 연결된다.
본 발명의 일 실시 양태에 따르면, 제 1 유도성 소자 및/또는 제 2 유도성 소자는 유도 코일이다.
본 발명은 전기 충전기, 특히 전술한 바와 같은 변환기를 포함하는 전기 또는 하이브리드 차량용 전기 충전기에 관한 것이다.
본 발명은 또한 전술한 바와 같은 DC-DC 전압 변환기를 포함하는 전기 또는 하이브리드 차량에 관한 것이다.
본 발명은 단지 하나의 예로서 주어진 다음의 설명을 읽고, 동일한 참조사항이 유사한 대상들에 대해 제공되는 비 제한적인 실시 예로서 주어진 첨부된 도면을 참조함으로써 더 잘 이해될 것이다:
도 1은 종래 기술의 인터리브된 공진형 DC-DC 변환기의 예를 도시하고,
도 2는 본 발명에 따른 변환기의 예를 도시하고,
도 3 내지 도 5는 도 2의 변환기의 중성점에 연결된 임피던스의 예를 도시하고,
도 6 및 도 7은 도 2의 변환기에서 순환하는 전류를 도시한다.
상기 도면들은 본 발명을 실시하기 위한 상세한 방식으로 본 발명을 설명하며, 상기 도면들은 필요하다면 본 발명을 더 잘 정의하도록 명백히 작용할 수 있다.
이하에 설명될 기재내용에서, 본 발명은 본 발명의 범위를 제한하지 않으면서 전기 차량 또는 하이브리드 차량에 적용하여 설명될 것이다.
예를 들어, 이러한 차량은 전기 기계, 인버터, 변환기 세트, 고전압 전원 배터리, 온보드 고전압 전기 네트워크, 저전압 전원 배터리, 온보드 저전압 전기 네트워크 및 전기 장비의 다수의 보조 아이템들을 포함한다.
본 발명에 따른 변환기는 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니지만, 저전압 및 고전압 전기 네트워크들 사이의 전압을 변환하기 위해 차량에 탑재된 DC-DC 변환기에 대한 그 구현 예를 아래에서 설명한다. 따라서 변환기는 특히 차량에 탑재될 수 있는 전기 충전기내에 포함될 수 있다.
온보드 저전압 전기 네트워크는 저전압 전원 배터리와 전기 장비의 다수의 보조 아이템들을 적절하게 연결하여, 저전압 전원 배터리가 온보드 컴퓨터, 윈도우 와인더 모터, 멀티미디어 시스템 등과 같은 전기 장비의 상기 보조 아이템들에 전력 공급한다. 저전압 전원 배터리는 전형적으로 예를 들어 약 12V, 24V 또는 48V의 전압을 전달한다. 저전압 배터리의 재충전은 통상 DC-DC 변환기라 불리는 직류 대 직류 전압 변환기를 통하여 고전압 배터리로부터 수행된다.
온보드 고전압 전기 네트워크는 고전압 전원 배터리와 인버터를 적절하게 연결하여, 고전압 전원 배터리가 인버터를 통해 전기 기계에 에너지를 공급하는 기능을 보장한다. 고전압 전원 배터리는 일반적으로 100V와 900V 사이, 바람직하게는 100V와 500V 사이의 전압을 전달한다. 전기 에너지로 고전압 전원 배터리를 재충전하려면, 그것을 차량의 직류 고전압 전기 네트워크를 통해 외부 전기 네트워크, 예를 들어 가정용 AC 전기 네트워크에 연결함으로써 수행된다.
전기 기계는 회전 전기 기계이며, 바람직하게는 고전압 전원 배터리에 의해 공급된 에너지로부터 차량의 휠을 구동하도록 구성된다. 보다 구체적으로, 전기 기계는 다상 전류원에 의해 공급되는 교류 전기 기계이다. 예를 들어, 전기 기계는 교류 모터일 수 있다. 이하에 설명되는 바람직한 예에서, 전기 기계는 본 발명의 범위를 제한하지 않으면서 3-상 전류원에 의해 공급된다.
이 예에서, 전기 기계의 제어는 인버터에 의해 달성된다. 상기 인버터는 고전압 전원 배터리에 의해 공급되는 직류를 예컨대 사인 곡선과 같은 3 개의 교류 제어 전류로 변환하는 것을 가능하게 한다. 다시 말해, 인버터의 기능은 고전압 전원 배터리에 의해 전달되는 직류를 3 상 전류로 변환하여, 전기 기계를 제어할 수 있게 하는 것이다. 역으로, 다른 작동 모드에서, 전기 기계는 또한 3 상 교류 전류를 인버터에 공급하여, 상기 인버터가 3 상 교류 전류를 직류로 변환하여 고전압 전원 배터리를 충전할 수 있게 한다.
도 2에는 본 발명에 따른 전기 변환기(10-1)의 예가 도시되어 있다.
변환기(10-1)는 직류 전압을 직류 전압으로 변환하도록 구성된 공진형 변환기이며, 3 개의 소위 "메인" 공진 회로를 포함한다. 그러나, 그것은 다른 수의 메인 공진 회로를 포함할 수 있다.
각각의 메인 공진 회로는 적어도 하나의 1 차 권선(P1, P2, P3) 및 적어도 하나의 2 차 권선(S1, S2, S3)을 각각 포함하는 변압기를 포함한다. 각각의 메인 공진 회로는 공진 커패시터(CR1, CR2, CR3) 및 제 1 유도성 소자(L1, L2, L3)를 더 포함한다. 1 차 권선(P1, P2, P3), 공진 커패시터(CR1, CR2, CR3) 및 제 1 유도성 소자(L1, L2, L3)는 예를 들어 "공진 브랜치(resonance branch)"로 표시되는 메인 공진 회로의 브랜치에 포함되며, 특히 직렬로 존재한다. 예를 들어, 제 1 유도성 소자(L1, L2, L3)는 공진 커패시터(CR1, CR2, CR3)의 일측 단자에 연결되고, 공진 커패시터(CR1, CR2, CR3)의 타측 단자는 선택적으로 저항기(도시되지 않음)을 통해 변압기의 1 차 권선(P1, P2, P3)에 연결된다. 각각의 제 1 유도성 소자(L1, L2, L3)는 공진 커패시터(CR1, CR2, CR3)와 함께 LC 타입의 메인 공진 회로를 형성한다.
제 1 유도성 소자(L1, L2, L3)는 유도성 코일인 것이 바람직하다. 3 개의 메인 공진 회로의 변압기의 1 차 권선(P1, P2, P3)과 2 차 권선(S1, S2, S3) 사이에 전기 절연이 형성된다. 제 1 그라운드(M1)는 1 차측 변환기(10-1)의 기준 전위를 구성하고, 제 2 그라운드(M2)는 2 차측 변환기(10-1)의 기준 전위를 구성한다.
각각의 메인 공진 회로는 메인 공진 회로에서 순환하는 에너지를 제어하도록 구성된 스위치(Q1-Q6)를 포함하는 입력 구조에 연결될 수 있다. 특히, 각각의 입력 구조에서, 스위치(Q1-Q6)는 상부 스위치(Q1, Q3, Q5) 및 중간 지점의 레벨에서 연결된 하부 스위치(Q2, Q4, Q6)을 포함하는 하프-브릿지에 배치된다. 상부 스위치(Q1, Q3, Q5)는 특히 차량의 전기 네트워크, 특히 차량의 고전압 네트워크의 고전위(VHT)에 연결된다. 하부 스위치(Q2, Q4, Q6)는 특히 차량의 전기 네트워크, 특히 차량의 고전압 네트워크의 저전위에 연결된다. 이러한 저전위는 특히 제 1 그라운드(M1)에 대응한다. 중간 지점은 대응하는 메인 공진 회로, 특히 상기 메인 공진 회로의 변압기의 1 차 권선(P1, P2, P3)을 포함하는 공진 브랜치에 연결된다. 스위치(Q1-Q6)는 예를 들어, 특히 MOS 형의 트랜지스터이다. 커패시터(C1-C6)는 스위치(Q1-Q6)와 병렬로 연결되어, 스위치(Q1-Q6)의 ZVS를 가능하게 한다.
각각의 메인 공진 회로는 메인 공진 회로에서 순환하는 에너지를 제어하도록 구성된 스위치(Q7-Q12)를 포함하는 출력 구조에 연결될 수 있다. 특히, 각각의 출력 구조에서, 스위치(Q7-Q12)는 상부 스위치(Q7, Q9, Q11) 및 중간 지점의 레벨에서 연결된 하부 스위치(Q8, Q10, Q12)를 포함하는 하프 브릿지에 배치된다. 상부 스위치(Q7, Q9, Q11)는 특히 차량의 전기 네트워크, 특히 차량의 저전압 네트워크의 고전위에 연결된다. 하부 스위치(Q8, Q10, Q12)는 특히 차량의 전기 네트워크, 특히 차량의 저전압 네트워크의 저전에 연결된다. 이러한 저전위는 특히 제 2 그라운드(M2)에 대응한다. 중간 지점은 대응하는 메인 공진 회로, 특히 상기 메인 공진 회로의 변압기의 2 차 권선(S1, S2, S3)을 포함하는 브랜치에 연결된다. 스위치(Q7-Q12)는 예를 들어 특히 MOS 형의 트랜지스터이다. 커패시터(C7-C12)는 스위치(Q7-Q12)와 병렬로 연결되어, 스위치(Q7-Q12)의 ZVS를 가능하게 한다.
변환기(10-1)는 특히 변환기의 스위치(Q1-Q12)를 제어하도록 구성된 제어 유닛(UC)을 포함한다.
바람직한 방식으로, 각각의 메인 공진 회로에서, 상기 메인 공진 회로의 변압기의 2 차 권선(S1, S2, S3)과 병렬로 또는 상기 메인 공진 회로의 변압기의 1 차 권선(P1, P2, P3)과 병렬로, 제 2 유도성 소자(도시 생략)가 추가될 수 있다. 이러한 제 2 유도성 소자는 유도 코일인 것이 바람직하다. 이러한 제 2 유도성 소자는 제 1 유도성 소자(L1, L2, L3) 및 공진 커패시터(CR1, CR2, CR3)와 함께, LLC 타입의 메인 공진 회로를 형성할 수 있다. 대안적으로, 제 2 유도성 소자는 2 차 권선(S1, S2, S3)이 자화 인덕턴스를 가질 때, 메인 공진 회로의 변압기의 2 차 권선(S1, S2, S3)일 수 있거나 또는 1 차 권선(P1, P2, P3)이 자화 인덕턴스를 가질 때, 메인 공진 회로의 변압기의 1 차 권선(P1, P2, P3)일 수 있다. 그러한 자화 인덕턴스는 변압기의 코어 내의 에어 갭(air gap)에 의해 형성될 수 있다.
메인 공진 회로는 1 차 권선(P1, P2, P3)이 소위 제 1 "중성"점(PN1)에 연결되고, 제 2 권선(S1, S2, S3)이 소위 제 2 "중성"점(PN2)에 연결되도록 구성된다.
제 1 중성점(PN1)은 에너지를 저장하며 공진형 DC-DC 변환기(10-1)의 입력 구조의 스위치들(Q1-Q6)의 제로 전압 스위칭을 가능하게 하도록 구성된 제 1 임피던스(Z1)를 통해 DC-DC 변환기의 제 1 그라운드(M1)에 연결된다. 제 1 임피던스(Z1)는 변환기(10-1)가 1 차측에서 2 차측으로 에너지를 전달할 때, 변환기(10-1)의 작동 지점이 무엇이든 ZVS로 변환기(10-1)를 작동시키는 것을 가능하게 한다.
이것은 제 1 유도성 소자(L1) 및 공진 커패시터(CR1)를 포함하는 제 1 메인 공진 회로의 입력 구조의 중간 지점(P1)에서의 전압(VP1)을 나타내는 그래프를 포함하는 도 6을 참조하면, 더 잘 이해될 것이다. 도 6은 또한 제 1 메인 공진 회로의 입력 구조의 하부 트랜지스터(Q2)에서 순환하는 전류(I2)(파선으로 표시됨), 및 도 3에 도시된 바와 같은 제 1 임피던스(Z1)에서 순환하는 전류(I1)를 나타내는 그래프를 포함한다.
변환기(10-1)의 동작 중에, 입력 구조의 스위치들(Q1-Q6)은 1 차측으로부터 2 차측으로 에너지를 전달하는 방식으로 주기적으로 스위칭한다. 제 1 임피던스(Z1)는 랭크(3, rank)의 고조파(harmonic) 전류를 수신한다. 하부 스위치(Q2)와 병렬인 커패시터(C2)의 방전에 필요한 에너지(EZVS)는 식 EZVS = 1 / 2 × C2 × V2로 주어지며, 여기서 V는 입력 전압(VHT)이다. 제 1 임피던스(Z1)에 저장된 에너지(EZ1)는 식 EZ1 = 1 / 2 × L × I12로 주어지며, 여기서 L은 제 1 임피던스(Z1)의 인덕턴스이고, 커패시터(Cs)는 무시된다. 동일한 관계식이 제 2 및 제 3 메인 공진 회로의 중간 지점의 전압(VP2, VP3)으로 얻어진다. 임피던스(Z1)의 커패시터(Cs)는 임피던스(Z1)의 인덕턴스(L)의 단자에서 전압의 직접적인 성분을 피할 수 있게 하며, 그렇지 않으면 무한대 방향으로 전류(i2)의 증가를 야기한다. 하부 트랜지스터(Q2)와 병렬인 커패시터(C2)에 대해, 입력 전압(VHT)의 최대 값과 전류(I2)의 최소값을 취함으로써, 제 1 메인 공진 회로의 입력 구조의 하부 스위치(Q2)의 단자에서, 보다 일반적으로는 입력 구조의 모든 스위치에 대해 제로 전압 스위칭을 위해 필요한 에너지를 저장할 수 있는 인덕턴스(L)의 값을 선택할 수 있다. 제 1 임피던스(Z1)는 입력 구조의 다른 스위치(Q1-Q6)에 대해 유사한 동작을 가능하게 한다. 따라서, 제 1 임피던스(Z1), 특히 인덕턴스(L)에서 순환하는 랭크(3)의 고조파 전류(i2)는 입력 구조의 스위치(Q1-Q6)와 병렬인 커패시터(C2-C6)을 방전할 수 있게 한다. 따라서 제로 전압에서 스위치(Q1-Q6)를 열 수 있다.
이는 메인 공진 회로가 LC 타입일 때, 특히 유리하다. 실제로, 도 1에 도시된 바와 같은 공진 회로(LC)를 포함하는 종래 기술의 인터리브된 변환기(1)는 변환기(1)의 전체 동작 범위에 걸쳐 ZVS를 수행하는 것을 가능하게 하지 않는다. 동작 지점에 따라, 유도성 소자(L100, L200, L300)와 공진 커패시터(C100, C200, C300)의 공진은 이 목적을 위해 에너지를 저장하기에 충분하지 않을 수 있다. 반면에, 본 발명의 일 실시 예에 따른 변환기(10-1)에서는, 제 1 임피던스(Z1)는 ZVS에 필요한 에너지를 저장하기 위해 항상 이용 가능하다.
도 2에서, 유사한 방식으로, 제 2 중성점(PN2)은 에너지를 저장하며 공진형 DC-DC 변환기의 출력 구조의 스위치(Q7-Q12)의 제로 전압 스위칭을 가능하게 하도록 구성된 제 2 임피던스(Z2)를 통해 DC-DC 변환기의 제 2 그라운드(M2)에 연결된다. 제 2 임피던스(Z1)는 공진형 DC-DC 변환기가 2 차측으로부터 1 차측으로 에너지를 전달할 때, 변환기(10-1)의 작동 지점이 무엇이든 ZVS로 변환기(10-1)를 작동시키는 것을 가능하게 한다. 이는 공진형 DC-DC 전압 변환기(10-1)가 1 차측에서 2 차측으로뿐만 아니라 2 차측에서 1 차측으로 에너지를 교환하도록 구성될 때, 즉 공진형 DC-DC 전압 변환기가 양방향 방식으로 동작하도록 구성될 때, 특히 적응된다.
그러나, 변환기(10-1)는 단방향일 수 있고, 예를 들어 단지 1 차측으로부터 2 차측으로 에너지의 교환을 가능하게 할 수 있다. 변환기(10-1)는 전술한 바와 같은 출력 구조가 없지만 스위치를 대체하는 다이오드를 포함할 수 있다. 변환기(10-1)는 제 2 임피던스(Z2) 또는 심지어 제 2 중성점(PN2) 없이도 구성될 수 있다. 출력 구조는 도 1의 변환기의 출력 구조와 유사할 수 있다.
제 1 및 제 2 임피던스(Z1, Z2)는 예를 들어 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 소위 "보조" 공진 회로일 수 있다. 특히, 임피던스(Z1, Z2)는 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이, 커패시터(Cs)와 직렬로 인덕턴스(L)를 포함할 수 있다. 임피던스(Z1, Z2)는 커패시터(Cp)와 병렬로 인덕턴스(L)를 포함할 수 있으며, 커패시터(Cp)는 예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이, 커패시터(Cs)와 직렬로 연결된다. 바람직하게는, 임피던스(Z1, Z2)가 보조 공진 회로일 때, 입력 또는 출력 구조의 스위치가 스위칭되는 주파수로 임피던스(Z1, Z2)의 작동을 수정할 수 있다. 예를 들어, 정도의 차는 있어도 작동 지점의 함수로서 변환기 내에서 더 크거나 더 작은 세기의 전류를 얻을 수 있다. 그러나, 임피던스(Z1, Z2)는, 예를 들어 도 5에 도시된 바와 같은 인덕턴스(L)와 같이 제로 전압 스위칭을 위해 에너지를 저장할 수 있는 임의의 형태일 수 있다.

Claims (9)

  1. n 개의 인터리브된 메인 공진 회로들을 포함하며 n은 2 이상의 자연 정수인 공진형 DC-DC 전압 변환기(10-1)에 있어서,
    -상기 메인 공진 회로들은 상기 변환기의 그라운드(M1, M2)와 상이한 적어도 하나의 중성점(PN1, PN2)에서 함께 연결되고,
    -상기 중성점(PN1, PN2)은 에너지를 저장하며 상기 공진형 DC-DC 변환기의 스위치들의 제로 전압 스위칭을 가능하게 하도록 구성된 임피던스를 통해, 상기 변환기의 상기 그라운드(M1, M2)에 연결되는 공진형 DC-DC 전압 변환기(10-1).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 임피던스는 인덕턴스를 포함하는 공진형 DC-DC 전압 변환기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 임피던스는 상기 메인 공진 회로들과 상이한 보조 공진 회로를 형성하는 공진형 DC-DC 전압 변환기(10-1).
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각각의 메인 공진 회로는 적어도 하나의 1 차 권선(P1, P2, P3) 및 적어도 하나의 2 차 권선(S1, S2, S3)을 포함하는 변압기를 포함하고, 상기 중성점(PN1, PN2)은 각각의 메인 공진 회로의 변압기의 권선의 단자에 연결되는 공진형 DC-DC 전압 변환기(10-1).
  5. 제 4 항에 있어서, 제 1 중성점(PN1)은 각각의 메인 공진 회로의 상기 변압기의 상기 1 차 권선에 연결되는 공진형 DC-DC 전압 변환기(10-1).
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 변환기(10-1)의 메인 공진 회로들은 메인 공진 회로에서 순환하는 에너지를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 스위치를 포함하는 각각의 입력 구조에 각각 연결되고, 상기 제 1 중성점(PN1)에 연결된 임피던스는 에너지를 저장하며 상기 입력 구조의 스위치들의 제로 전압 스위칭을 가능하게 하도록 구성되는 공진형 DC-DC 전압 변환기(10-1).
  7. 제 4 항 또는 제 6 항에 있어서, 제 2 중성점(PN2)은 각각의 메인 공진 회로의 상기 변압기의 상기 2 차 권선에 연결되는 공진형 DC-DC 전압 변환기(10-1).
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 변환기(10-1)의 상기 메인 공진 회로들은 상기 메인 공진 회로에서 순환하는 에너지를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 스위치를 포함하는 각각의 출력 구조에 각각 연결되고, 상기 제 2 중성점(PN2)에 연결된 임피던스는 에너지를 저장하며 상기 출력 구조의 스위치들의 제로 전압 스위칭을 가능하게 하도록 구성되는 공진형 DC-DC 전압 변환기(10-1).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 메인 공진 회로는 적어도 하나의 제 1 유도성 소자(L1, L2, L3), 상기 제 1 유도성 소자(L1, L2, L3)에 연결되어 서로 공진하도록 구성된 공진 커패시터(CR1, CR2, CR3)를 포함하는 공진형 DC-DC 전압 변환기(10-1).
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