KR20200022569A - 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터는, 입력 전원의 제1 단과 직렬로 연결되는 제1 인덕터 및 상기 입력 전원의 제2 단과 직렬로 연결되어 상기 제1 인덕터와 자화 결합되며, 상기 제1 인덕터와 양의 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 갖는 제2 인덕터로 구성된 결합 인덕터를 포함하며, 결합 인덕터의 자화 인덕턴스와 누설 인덕턴스로 인해 출력 전압의 리플을 제거하고 누설 전류를 효과적으로 억제할 수 있다.

Description

결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터{ISOLATION DC-DC CONVERTER USING COUPLED-INDUCTOR}
본 발명은 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 출력 전압의 리플을 제거하는 필터 기능 및 누설전류를 억제하는 절연 기능이 구현된 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터에 관한 것이다.
최근 디지털 부하, 전기차 등의 증가로 인하여 전력의 소비 패턴이 교류전력에서 직류전력으로 변환되고 있는 추세이며, 더불어 태양광, 풍력, 에너지저장장치(ESS) 분산전원의 효과를 극대화할 수 있는 DC 그리드(Grid) 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다.
이에, DC 그리드와 ESS 장치(또는 배터리)를 연결하기 위해 DC-DC 컨버터의 보급이 확대되고 있다. 일반적으로, DC-DC 컨버터는 절연형태에 따라 비절연형 또는 절연형으로 구분되는데, 대부분 시스템의 안정성을 위해 절연형 DC-DC 컨버터가 주로 사용되고 있다.
하지만, 종래의 절연 기능이 구비된 컨버터는 전기적으로 분리된 두 개의 인덕터를 사용하고 있다. 이는, 비절연형 컨버터에 비해서 1개의 인덕터가 추가적으로 구비되어야 하기 때문에 효율이 감소하고, 크기 및 가격이 상승하며, 신뢰성이 감소된다는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1230862호 한국등록특허 제10-0689349호
본 발명의 일측면은 누설전류를 효율적으로 억제할 수 있는 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터를 제공한다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터는, 입력 전원의 제1 단과 직렬로 연결되는 제1 스위치, 상기 입력 전원의 제2 단과 직렬로 연결되는 제2 스위치, 애노드가 상기 제1 스위치와 연결되는 제1 다이오드, 캐소드가 상기 제2 스위치와 연결되는 제2 다이오드, 캐소드가 상기 제1 다이오드의 캐소드와 연결되고, 애노드가 상기 제2 다이오드의 애노드와 연결되는 제3 다이오드, 제1 단이 상기 제1 다이오드의 캐소드에 연결되고, 제2 단이 캐패시터의 제1 단과 연결되는 제1 인덕터 및 제1 단이 상기 제2 다이오드의 애노드에 연결되고, 제2 단이 상기 캐패시터의 제2 단에 연결되되, 상기 입력 전원 측에 마련된 제1 그라운드와 부하 측에 마련된 제2 그라운드가 전기적으로 절연되도록, 상기 제1 그라운드의 대지 전위와 상기 제2 그라운드의 대지 전위간 전압 차이에 따라 발생되는 누설 전류의 경로 상에 배치되고, 상기 제1 인덕터와 양의 상호 인덕턴스를 갖도록 자화 결합되며, 상기 제1 인덕터와 결합 인덕터를 형성하여 상기 결합 인버터의 등가 인덕턴스를 증가시키는 제2 인덕터를 포함한다.
상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터는 상기 캐패시터를 통해 직렬로 연결되어, 상기 결합 인버터는 상기 제1 인덕터에 의한 제1 누설 인덕턴스, 상기 제2 인덕터에 의한 제2 누설 인덕턴스 및 자화 인덕턴스가 존재할 수 있다.
상기 누설 전류를 억제하는 상기 결합 인덕터의 등가 인덕턴스는 상기 제2 누설 인덕턴스와 상기 자화 인덕턴스의 합으로 결정될 수 있다.
상기 결합 인덕터는 상기 입력 전원으로부터 공급되는 입력 전압을 강압하고, 강압된 입력 전압인 출력 전압의 리플을 제거하는 상기 결합 인덕터의 등가 인덕턴스는 상기 제1 누설 인덕턴스와 상기 제2 누설 인덕턴스의 합으로 결정될 수 있다.
상기 부하는 상기 캐패시터와 병렬로 연결될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터는, 입력 전원의 제1 단과 직렬로 연결되는 제1 스위치, 상기 입력 전원의 제2 단과 직렬로 연결되는 제2 스위치, 애노드가 상기 제1 스위치와 연결되는 제1 다이오드, 캐소드가 상기 제2 스위치와 연결되는 제2 다이오드, 캐소드가 상기 제1 다이오드의 캐소드와 연결되고, 애노드가 상기 제2 다이오드의 애노드와 연결되는 제3 다이오드, 제1 단이 상기 제1 다이오드의 캐소드에 연결되고, 제2 단이 캐패시터의 제1 단과 연결되는 제1 인덕터 및 제1 단이 상기 제2 다이오드의 애노드에 연결되고, 제2 단이 상기 캐패시터의 제2 단에 연결되되, 상기 입력 전원 측에 마련된 제1 그라운드와 부하 측에 마련된 제2 그라운드가 전기적으로 절연되도록, 상기 제1 그라운드의 대지 전위와 상기 제2 그라운드의 대지 전위간 전압 차이에 따라 발생되는 누설 전류의 경로 상에 배치되고, 상기 제1 인덕터와 음의 상호 인덕턴스를 갖도록 자화 결합되며, 상기 제1 인덕터와 결합 인덕터를 형성하여 상기 결합 인버터의 등가 인덕턴스를 증가시키는 제2 인덕터를 포함한다.
상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터는 상기 캐패시터를 통해 직렬로 연결되어, 상기 결합 인버터는 상기 제1 인덕터에 의한 제1 누설 인덕턴스, 상기 제2 인덕터에 의한 제2 누설 인덕턴스 및 자화 인덕턴스가 존재할 수 있다.
상기 누설전류를 억제하는 상기 결합 인덕터의 등가 인덕턴스는 상기 제1 누설 인덕턴스, 상기 제2 누설 인덕턴스와 상기 자화 인덕턴스의 합으로 결정될 수 있다.
상기 결합 인덕터는 상기 입력 전원으로부터 공급되는 입력 전압을 강압하고, 강압된 입력 전압인 출력 전압의 리플을 제거하는 상기 결합 인덕터의 등가 인덕턴스는 상기 제2 누설 인덕턴스와 상기 자화 인덕턴스의 합으로 결정될 수 있다.
상기 부하는 상기 캐패시터와 병렬로 연결될 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 그라운드의 분리 시에도 누설전류를 효과적으로 억제할 수 있으며, 누설전류를 억제하기 위한 인덕터의 개수가 감소되어 컨버터 제작에 요구되는 가격 및 크기를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터의 회로도이다.
도 2는 도 1의 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터의 턴 온 및 턴 오프시의 전류 흐름을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터의 등가 회로이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터의 회로도이다.
도 5는 도 4에 도시된 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터의 등가 회로이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터의 성능 평가 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 종래 기술에 따른 노이즈 필터의 회로도이다.
도 8은 종래 기술에 따른 플라이백 컨버터의 회로도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터를 나타내는 회로도이다.
본 발명에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)는 입력 전원(50)으로부터 인가되는 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 발생시키는 강압 변환 회로, 다시 말해 벅 컨버터(buck converter)의 기능을 수행할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)는 입력 전원(50)에 대한 보조 전원의 역할을 수행할 수 있으며, 부하(R)에 강압된 직류 전원을 공급하기 위하여 입력 전원(50)과 부하(R) 사이에 위치할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)는 스위치부(100), 다이오드부(200) 및 인덕터부(300)를 포함한다.
스위치부(100)는 입력 전원(50)과 다이오드부(200) 사이에 배치되어, 본 발명에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)의 ON/OFF 동작을 제어할 수 있다. 이러한 스위치부(100)는 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)를 포함할 수 있다.
제1 스위치(S1)는 제1 단(게이트 단)에 제어 신호가 인가되고, 제2 단이 입력 전원(50)의 제1 단에 연결되며, 제3 단이 제1 다이오드(D1)의 애노드(anode)에 연결될 수 있다.
제2 스위치(S2)는 제1 단(게이트 단)에 제어 신호가 인가되고, 제2 단이 제2 다이오드(D2)의 캐소드(cathode)에 연결되며, 제3 단이 입력 전원(50)의 제2 단에 연결될 수 있다.
본 실시예에서, 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)는 능동 스위치로써, 일 예로 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) 스위치로 마련될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다른 전계효과 트랜지스터(Field-Effect Transistor, FET) 또는 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT)로도 대체될 수 있다.
다이오드부(200)는 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2) 및 제3 다이오드(D3)를 포함한다.
제1 다이오드(D1)는 애노드가 제1 스위치(S1)의 제3 단에 연결되고, 캐소드가 제1 인덕터(L1)의 제1 단에 연결될 수 있다. 제2 다이오드(D2)는 캐소드가 제2 스위치(S2)의 제2 단에 연결되고, 애노드가 제2 인덕터(L2)의 제1 단에 연결될 수 있다. 그리고, 제3 다이오드(D3)는 애노드가 제2 다이오드(D2)의 애노드에 연결되고, 캐소드가 제1 다이오드(D1)의 캐소드에 연결될 수 있다.
인덕터부(300)는 제1 인덕터(L1) 및 제1 인덕터(L1)와 자화결합되는 제2 인덕터(L2)로 구성되며, 이에 따라 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)는 결합형 인덕터로 동작될 수 있다.
제1 인덕터(L1)는 제1 단이 제1 다이오드(D1)의 캐소드에 연결되고 제2 단이 캐패시터(C)의 제1 단에 연결될 수 있다. 또한, 제2 인덕터(L2)는 제1 단이 제2 다이오드(D2)의 애노드에 연결되고 제2 단이 캐패시터(C)의 제2 단에 연결될 수 있다. 즉, 제1 인덕터(L1)의 제1 단은 입력 전원(50)의 제1 단측과 직렬로 연결되고, 제2 인덕터(L2)의 제1 단은 입력 전원의 제2 단측과 직렬로 연결될 수 있으며, 제1 인덕터(L1)의 제2 단과 제2 인덕터(L2)의 제2 단은 캐패시터(C)를 통해 직렬로 연결될 수 있다.
서로 독립된 1차 권선과 2차 권선이 1차측 그라운드와 2차측 그라운드를 전기적으로 분리시키는 종래의 변압기의 구성과는 상이하게, 본 발명에 따른 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)는 회로를 통하여 연결되어 있으면서, 입력 전원(50)의 두 라인에 평행하게 배치되어 자화 결합될 수 있다. 이와 같은, 전기적으로 연결되면서도 자화결합 되는 구조적인 특징으로 인하여, 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)로 구성된 인덕터부(300)는 입력 전원(50)으로부터 공급되는 입력 전압을 강압하는 변압기의 역할을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1) 내부의 그라운드 라인 상에 제2 인덕터(L2)가 배치됨으로써, 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)의 내부에 절연 기능이 구현되어 입력 전원(50)측에 마련된 제1 그라운드(G1)와 부하(R)측에 마련된 제2 그라운드(G2)가 상호 분리될 수 있다. 다시 말해, 제1 그라운드(G1)와 제2 그라운드(G2)간의 대지 전위(ground potential) 차이에 따라 발생되는 누설전류가 흐르는 경로 상에 임피던스를 증가시킬 수 있는 제2 인덕터(L2)를 배치함에 따라 각 단의 절연 기능을 확보할 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터부(300)는 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)가 양의 상호 인덕턴스(Mutual Inductance)를 갖도록 설계될 수 있다. 즉, 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)는 동일한 방향으로 도트가 형성되도록 권선의 방향 등이 설계될 수 있다. 이에 따라, 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)는 동일한 자화 방향을 가질 수 있다.
이 외에도, 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)는 종래의 벅 컨버터와 유사하게 캐패시터(C) 및 부하(R)를 더 포함할 수 있다.
캐패시터(C)는 인덕터부(300)에 의해 강압된 직류 전원의 리플을 제거하고 평활화할 수 있으며, 캐패시터(C)의 양 단에 걸리는 전압은 강압된 직류 전원과 같을 수 있다.
부하(R)는 인덕터부(300)에 의해 강압되고, 캐패시터(C)에 의해 리플이 제거된 직류 전원을 공급받을 수 있다.
또한, 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)의 동작 모드는 종래의 벅 컨버터의 온/오프 시 동작과 유사한 형태로 동작될 수 있다. 이와 관련하여, 도 2를 함께 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 도 1의 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)의 턴 온 및 턴 오프시의 전류 흐름을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 2a는 도 1의 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)의 턴 온 시의 전류 흐름을 나타내는 도면이다.
턴 온 시간 동안, 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)는 동시에 턴 온 되며, 도시된 도면의 화살표에 표시된 바와 같이 전류는 제1 스위치(S1) -> 제1 다이오드(D1) -> 제1 인덕터(L1) -> 캐패시터(C) -> 제2 인덕터(L2) -> 제2 다이오드(D2) -> 제2 스위치(S2) 방향으로 전류 흐름이 발생할 수 있다.
이때, 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)는 하나의 회로 루프(mesh) 상에서 동일한 브랜치로 연결되어 있는 직렬 연결 상태이므로, 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)의 전류와 자속은 동일하다.
이에 따라, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)가 동시에 턴 온 되면, 인덕터부(300)에는 에너지가 축적되고, 캐패시터(C)와 부하(R)를 통해 인덕터부(300)에 흐르는 전류가 증가될 수 있다.
도 2b는 도 1의 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)의 턴 오프 시의 전류 흐름을 나타내는 도면이다.
턴 오프 시간 동안, 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)는 동시에 턴 오프 되며, 도시된 도면의 화살표에 표시된 바와 같이 전류는 제3 다이오드(D3)에 의해 방향이 형성되면서 제1 인덕터(L1) -> 캐패시터(C)-> 제2 인덕터(L2) -> 제3 다이오드(D3) -> 제1 인덕터(L1) 방향으로 전류 흐름이 발생할 수 있다. 즉, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)가 동시에 턴 오프 되면, 인덕터부(300)에 축적된 에너지인 인덕터 전류가 캐패시터(C)와 부하(R)로 흐르게 되며, 이러한 인덕터 전류는 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)가 다시 턴 온 될 때까지 감소될 수 있다.
이와 같이, 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)를 주기적으로 온/오프하게 되면, 인덕터와 캐패시터로 구성된 LC회로(LC 필터)에 의해 구형파가 평활화되어 직류 전압 형태로 출력될 수 있다. 이러한 동작 원리는 종래의 벅 컨버터의 동작 모드와 유사하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)는 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)가 자화 결합되어 하나의 결합형 인덕터로 동작하기 때문에, 인덕터부(300)는 변압기의 역할을 수행할 수 있으며 인덕터부(300)의 자화 인덕턴스와 누설 인덕턴스가 벅 컨버터의 출력 필터 역할을 할 뿐만 아니라 그라운드의 분리 시에 양 그라운드의 전압 차이에도 누설전류를 억제하여 절연 변압기의 역할을 수행할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)는 절연 기능이 없던 종래의 벅 컨버터의 구조와는 다르게, 제2 인덕터(L2)에 의해 입력 전원(50) 측의 제1 그라운드(G1)와 부하(R)측의 제2 그라운드(G2)가 분리되어 절연을 확보할 수 있다. 이와 관련하여, 도 3을 함께 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 도 1에 도시된 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)의 등가 회로이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터부(300)는 결합 인덕터로 동작하며, 결합 인덕터는 종래의 벅 컨버터에 구비된 인덕터와는 다르게 결합계수, 자화 인덕턴스(Lm) 및 누설 인덕턴스(Llk1, Llk2)가 존재하게 된다. 즉, 상술한 바와 같이 인덕터부(300)는 필터 기능을 수행함에 따라 자화 인덕턴스가 발생하고, 절연 기능을 수행함에 따라 누설 인덕턴스가 발생할 수 있다.
구체적으로, 도 3a는 도 1에 도시된 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)의 출력 필터 기능이 도시된 일 예를 나타내는 도면이다.
도시된 등가회로도에서, 화살표의 방향과 같이 컨버터의 메인 전류가 흐를 수 있다. 이때, 출력 필터 역할을 하는 등가 인덕턴스는 Llk1+Llk2가 되고, 캐패시터(C)와 함께 출력 전압의 스위칭 주파수 리플을 억제하는 등가 인덕터의 임피던스는 jω(Llk1+Llk2)가 될 수 있다. 따라서, 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)의 자화 결합에 따른 제1 누설 인덕턴스(Llk1)와 제2 누설 인덕턴스(Llk2)에 의해 출력 전압의 리플이 억제될 수 있다.
한편, 도 3b는 도 1에 도시된 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)의 절연 기능이 도시된 일 예를 나타내는 도면이다.
도시된 등가회로도에서, 화살표의 방향과 같이 누설 전류가 흐르게 되며, 이 경우 누설전류를 억제하는 등가 인덕턴스는 Llk2+Lm이 되고, 임피던스는 jω (Llk2+Lm)이 될 수 있다. 즉, 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)의 자화 결합에 따른 자화 인덕턴스(Lm)와 제2 누설 인덕턴스(Llk2)에 의해 누설전류가 억제될 수 있다.
여기서, 누설 전류의 크기는 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)의 턴(turn)비, 권선 수, 결합 계수에 따라 결정될 수 있다. 따라서, 사용 환경에 따라 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)의 턴(turn)비, 권선 수, 결합 계수(coupling factor)를 다양하게 설정할 수 있다. 예를 들어, 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)의 결합 계수가 낮게 제작되는 경우, 제1 인덕터의 누설 인덕턴스(Llk1) 및 제2 인덕터의 누설 인덕턴스(Llk2)는 상대적으로 커질 수 있다. 이때, 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)가 동일한 도트 방향을 갖도록 설계함으로써 출력 전압의 리플을 제거하는 결합 인덕터의 출력 필터 기능이 유지될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)의 사용 환경에 따라 결합 인덕터의 출력 필터 기능 및 누설전류 억제 기능이 최적화되도록 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)의 턴(turn)비, 권선 수, 결합 계수(coupling factor)를 적절하게 설정할 필요가 있다.
이와 같이, 자화적으로 결합된 인덕터부(300) 및 양전압과 음전압 입력에서 모두 전압저지가 가능한 양방향 구동 스위치가 구비된 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)는 단일 결합형 인덕터를 이용하여 출력필터 기능 및 누설전류 억제 기능(절연 기능)을 동시에 수행할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터를 나타내는 회로도이다.
도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)와 유사하게, 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1')는 입력 전원(50')으로부터 인가되는 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 발생시키는 강압 변환 회로, 다시 말해 벅 컨버터(buck converter)의 기능을 수행할 수 있다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1')는 입력 전원(50')에 대한 보조 전원의 역할을 수행할 수 있으며, 부하(R')에 강압된 직류 전원을 공급하기 위하여 입력 전원(50')과 부하(R') 사이에 위치할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1')는 스위치부(100'), 다이오드부(200') 및 인덕터부(300')를 포함한다.
도 4의 스위치부(100')는 입력 전원(50')과 다이오드부(200') 사이에 배치되어, 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1')의 ON/OFF 동작을 제어할 수 있다. 이러한 스위치부(100')는 제1 스위치(S1') 및 제2 스위치(S2')를 포함할 수 있다.
제1 스위치(S1')는 제1 단(게이트 단)에 제어 신호가 인가되고, 제2 단이 입력 전원(50')의 제1 단에 연결되며, 제3 단이 제1 다이오드(D1')의 애노드(anode)에 연결될 수 있다.
제2 스위치(S2')는 제1 단(게이트 단)에 제어 신호가 인가되고, 제2 단이 제2 다이오드(D2')의 캐소드(cathode)에 연결되며, 제3 단이 입력 전원(50')의 제2 단에 연결될 수 있다.
다이오드부(200')는 제1 다이오드(D1'), 제2 다이오드(D2') 및 제3 다이오드(D3')를 포함한다.
제1 다이오드(D1')는 애노드가 제1 스위치(S1')의 제3 단에 연결되고, 캐소드가 제1 인덕터(L1')의 제1 단에 연결될 수 있다. 제2 다이오드(D2')는 캐소드가 제2 스위치(S2')의 제2 단에 연결되고, 애노드가 제2 인덕터(L2')의 제1 단에 연결될 수 있다. 그리고, 제3 다이오드(D3')는 애노드가 제2 다이오드(D2')의 애노드에 연결되고, 캐소드가 제1 다이오드(D1')의 캐소드에 연결될 수 있다.
이러한 스위치부(100') 및 다이오드부(200')의 구성은 도 1의 스위치부(100) 및 다이오드부(200)의 구성과 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
인덕터부(300')는 제1 인덕터(L1') 및 제1 인덕터(L1')와 자화결합되는 제2 인덕터(L2')로 구성되며, 이에 따라 제1 인덕터(L1')와 제2 인덕터(L2')는 결합형 인덕터로 동작될 수 있다.
제1 인덕터(L1')는 제1 단이 제1 다이오드(D1')의 캐소드에 연결되고 제2 단이 캐패시터(C')의 제1 단에 연결될 수 있다. 또한, 제2 인덕터(L2')는 제1 단이 제2 다이오드(D2')의 애노드에 연결되고 제2 단이 캐패시터(C')의 제2 단에 연결될 수 있다. 즉, 제1 인덕터(L1')의 제1 단은 입력 전원(50')의 제1 단측과 직렬로 연결되고, 제2 인덕터(L2')의 제1 단은 입력 전원(50')의 제2 단측과 직렬로 연결될 수 있으며, 제1 인덕터(L1')의 제2 단과 제2 인덕터(L2')의 제2 단은 직렬로 연결될 수 있다.
서로 독립된 1차 권선과 2차 권선이 1차측 그라운드와 2차측 그라운드를 전기적으로 분리시키는 종래의 변압기의 구성과는 상이하게, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 인덕터(L1')와 제2 인덕터(L2')는 회로를 통하여 연결되어 있으면서, 입력 전원(50')의 두 라인에 평행하게 배치되어 자화 결합될 수 있다. 이와 같은, 전기적으로 연결되면서도 자화결합 되는 구조적인 특징으로 인하여, 제1 인덕터(L1')와 제2 인덕터(L2')로 구성된 인덕터부(300')는 입력 전원(50')으로부터 공급되는 입력 전압을 강압하는 변압기의 역할을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1') 내부의 그라운드 라인 상에 제2 인덕터(L2')가 배치됨으로써, 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1')의 내부가 임피던스에 의한 누설전류 억제 기능이 구현되어 입력 전원(50')측에 마련된 제1 그라운드(G1')와 부하(R')측에 마련된 제2 그라운드(G2')가 상호 분리될 수 있으며, 이에 따라 각 단의 절연 기능을 확보할 수 있다.
이때, 본 발명의 다른 실시예에 따른 인덕터부(300')는 도 1에 도시된 인덕터부(300)와는 다르게, 제1 인덕터(L1')와 제2 인덕터(L2')가 음의 상호 인덕턴스(Mutual Inductance)를 갖도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 제1 인덕터(L1')의 권선의 방향과 제2 인덕터(L2')의 권선의 방향이 서로 반대 방향으로 형성될 수 있다. 다른 예로, 제1 인덕터(L1')의 권선의 방향과 제2 인덕터(L2')의 권선의 방향이 서로 동일한 방향으로 형성되는 경우, 제2 인덕터(L2')의 제1 단이 캐패시터(C')의 제2 단에 연결되고, 제2 단이 제2 다이오드(D2')의 애노드에 연결될 수 있다.
즉, 제1 인덕터(L1')와 제2 인덕터(L2')는 상이한 방향으로 도트가 형성되도록 권선의 방향 등이 설계될 수 있다. 이에 따라, 제1 인덕터(L1')와 제2 인덕터(L2')는 서로 반대되는 자화 방향을 가질 수 있다.
이 외에도, 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1')는 캐패시터(C') 및 부하(R')를 더 포함할 수 있으며, 캐패시터(C') 및 부하(R')는 도 1의 캐패시터(C) 및 부하(R)와 동일한 구성으로 마련될 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)의 동작 모드는 종래의 벅 컨버터의 온/오프 시 동작과 유사한 형태로 동작될 수 있으며, 이와 관련된 내용은 도 2를 참조하여 상술하였으므로 구체적인 내용은 생략하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1')는 제1 인덕터(L1')와 제2 인덕터(L2')가 자화 결합되어 하나의 결합형 인덕터로 동작하기 때문에, 인덕터부(300')는 변압기의 역할을 수행할 수 있으며 인덕터부(300')의 자화 인덕턴스와 누설 인덕턴스가 벅 컨버터의 출력 필터 역할을 할 뿐만 아니라 그라운드의 분리 시에 양 그라운드의 전압 차이에도 누설전류를 억제하여 절연 변압기의 역할을 수행할 수 있다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1')는 절연 기능이 없던 종래의 벅 컨버터의 구조와는 다르게, 제2 인덕터(L2')에 의해 입력 전원(50') 측의 제1 그라운드(G1')와 부하(R')측의 제2 그라운드(G2')가 분리되어 절연을 확보할 수 있다. 이와 관련하여, 도 5를 함께 참조하여 설명하기로 한다.
도 5는 도 4에 도시된 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1')의 등가 회로이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터부(300')는 결합 인덕터로 동작하며, 결합 인덕터는 종래의 벅 컨버터에 구비된 인덕터와는 다르게 결합계수, 자화 인덕턴스(Lm') 및 누설 인덕턴스(Llk1', Llk2')가 존재하게 된다. 즉, 상술한 바와 같이 인덕터부(300')는 필터 기능을 수행함에 따라 자화 인덕턴스가 발생하고, 절연 기능을 수행함에 따라 누설 인덕턴스가 발생할 수 있다.
구체적으로, 도 5a는 도 4에 도시된 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1')의 출력 필터 기능이 도시된 일 예를 나타내는 도면이다.
도시된 등가회로도에서, 화살표의 방향과 같이 컨버터의 메인 전류가 흐를 수 있다. 이때, 출력 필터 역할을 하는 등가 인덕턴스는 Llk1'+Llk2'+2Lm'이 되고, 출력 전압의 스위칭 주파수 리플을 억제하는 등가 인덕터의 임피던스는 jω(Llk1'+Llk2'+2Lm')가 될 수 있다. 따라서, 제1 인덕터(L1') 및 제2 인덕터(L2')의 자화 결합에 따른 자화 인덕턴스(Lm'), 제1 누설 인덕턴스(Llk1')와 제2 누설 인덕턴스(Llk2')에 의해 출력 전압의 리플이 억제될 수 있다.
한편, 도 5b는 도 4에 도시된 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1')의 절연 기능이 도시된 일 예를 나타내는 도면이다.
도시된 등가회로도에서, 화살표의 방향과 같이 누설 전류가 흐르게 되며, 이 경우 누설전류를 억제하는 등가 인덕턴스는 Llk2'+Lm'이 되고, 임피던스는 jω (Llk2'+Lm')이 될 수 있다. 즉, 제1 인덕터(L1') 및 제2 인덕터(L2')의 자화 결합에 따른 자화 인덕턴스(Lm')와 제2 누설 인덕턴스(Llk2')에 의해 누설전류가 억제될 수 있다.
여기서, 누설 전류의 크기는 상술한 바와 같이 제1 인덕터(L1')와 제2 인덕터(L2')의 턴(turn)비, 권선 수, 결합 계수에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 인덕터(L1')와 제2 인덕터(L2')의 결합 계수가 높게 제작되는 경우, 제1 인덕터의 누설 인덕턴스(Llk1') 및 제2 인덕터의 누설 인덕턴스(Llk2')는 상대적으로 작아질 수 있다. 이때, 제1 인덕터(L1')와 제2 인덕터(L2')가 반대되는 도트 방향을 갖도록 설계함으로써 출력 전압의 리플을 제거하는 결합 인덕터의 출력 필터 기능이 유지될 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1')의 사용 환경에 따라 결합 인덕터의 출력 필터 기능 및 누설전류 억제 기능이 최적화되도록 제1 인덕터(L1')와 제2 인덕터(L2')의 턴(turn)비, 권선 수, 결합 계수(coupling factor)를 적절하게 설정할 필요가 있다.
이와 같이, 자화적으로 결합된 인덕터부(300') 및 양전압과 음전압 입력에서 모두 전압저지가 가능한 양방향 구동 스위치가 구비된 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1')는 단일 결합형 인덕터를 이용하여 출력필터 기능 및 누설전류 억제 기능을 동시에 수행할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1, 1')의 성능을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6a는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)의 성능 평가 결과를 나타내는 그래프이다.
그래프의 첫 번째 파형은 입력 전원(50)으로부터 공급되는 입력 전압이 100V, 도통률이 80%일 때에 대한 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)의 출력 전압을 나타내는 파형으로, 입력 전압과 도통률에 따라 출력 전압이 출력되는 것을 확인할 수 있다. 그래프의 두 번째 파형은 인덕터 전류이며, 그래프의 세 번째 파형이 제1 그라운드(G1)와 제2 그라운드(G2)의 대지 전위차이에 의한 누설전류를 나타낸다. 도시된 바와 같이 누설전류가 0에 가까우므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1)는 절연 기능이 있음을 알 수 있다.
도 6b는 도 4에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1')의 성능 평가 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6a와 유사하게, 그래프의 첫 번째 파형은 입력 전원(50')으로부터 공급되는 입력 전압이 100V, 도통률이 80%일 때에 대한 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1')의 출력 전압을 나타내는 파형으로, 입력 전압과 도통률에 따라 출력 전압이 출력되는 것을 확인할 수 있다. 그래프의 두 번째 파형은 인덕터 전류이며, 그래프의 세 번째 파형이 제1 그라운드(G1')와 제2 그라운드(G2')의 대지 전위(ground potential) 차이에 의한 누설전류를 나타낸다. 도시된 바와 같이 누설전류가 0에 가까우므로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1') 또한 절연 기능이 있음을 알 수 있다.
이상으로, 본 발명의 실시예들에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1, 1')의 구체적인 구성 및 이에 따른 시뮬레이션 결과를 살펴보았으며, 이하에서는 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1, 1')와 종래 기술들과의 차이점에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 7은 종래 기술에 따른 노이즈 필터를 나타내는 회로도이다.
도 7에 도시된 노이즈 필터는 일반적인 전자기기의 입력측에 구비된 것으로, 특히 공통 노이즈 필터로 구현된 두 개의 인덕터(Lcm_1, Lcm_2)가 자화 결합되어 하나의 결합 인덕터로 동작될 수 있다.
이때, 종래 기술에 따른 노이즈 필터에 구비된 결합 인덕터는 입력단의 직류단(C4_1, C4_2)과 다른 직류단(C2_1, C2_2) 사이에 위치하여, 전자기기 본체 내에서 발생한 노이즈가 입력단 외부로 흐르는 것을 차단하는 역할을 수행한다. 즉, 종래 기술에 따른 노이즈 필터는 직류단 사이에서 직류전압이 인가되며, 결합 인덕터는 DC 양 단 사이에 위치하기 때문에 누설 전류를 차단하는 절연 기능을 수행할 수 없다. 또한, 종래 기술에 따른 노이즈 필터는 고주파 노이즈에 대해서만 임피던스 역할을 함으로써 고주파 성분(노이즈)을 차단하는 제한적인 기능만을 수행할 수 있다.
반면, 본 발명에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1, 1')는 결합 인덕터 양 단에 직류전압이 아닌 PWM 전압이 인가되며, 이에 따라 스위칭 주파수(w)에 의하여 높은 임피던스를 갖게 되어 누설 전류를 효율적으로 억제하는 효과를 가지게 된다.
도 8은 종래 기술에 따른 플라이백 컨버터를 나타내는 회로도이다.
도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 플라이백 컨버터 또한 두 개의 인덕터가 자화 결합된 결합 인덕터가 구비된다. 하지만, 종래 기술에 따른 플라이백 컨버터에 구비된 결합 인덕터는 변압기에서 일반적으로 사용되는 결합 구조로, 1차측 권선(제1 인덕터)과 2차측 권선(제2 인덕터)이 전기적으로 분리되어 있기 때문에, 입력 전압을 강압하는 변압기 및 절연 기능만 수행할 수 있다. 즉, 종래 기술에 따른 플라이백 컨버터에 구비된 결합 인덕터는 출력단의 평활용 필터 인덕터로 동작하지 않기 때문에 스위칭 리플이 크다는 단점이 있다.
반면, 본 발명에 따른 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터(1, 1')는 제1 인덕터(L1, L1')와 제2 인덕터(L2, L2')가 캐패시터(C, C')를 통해 전기적으로 연결되어 있으며, 이때 제2 인덕터(L2, L2')는 누설전류의 경로 상에 배치되어 결합 인덕터의 임피던스를 증가시킴으로써 누설 전류를 억제할 뿐만 아니라, 출력단의 평활용 필터 효과를 갖게 된다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
50: 50': 입력 전원
100, 100': 스위치부
S1, S1': 제1 스위치
S2, S2': 제2 스위치
200, 200': 다이오드부
D1, D1': 제1 다이오드
D2, D2': 제2 다이오드
D3, D3': 제3 다이오드
300, 300': 인덕터부
L1, L1': 제1 인덕터
L2, L2': 제2 인덕터
C, C': 캐패시터
R, R': 부하

Claims (10)

  1. 입력 전원의 제1 단과 직렬로 연결되는 제1 스위치;
    상기 입력 전원의 제2 단과 직렬로 연결되는 제2 스위치;
    애노드가 상기 제1 스위치와 연결되는 제1 다이오드;
    캐소드가 상기 제2 스위치와 연결되는 제2 다이오드;
    캐소드가 상기 제1 다이오드의 캐소드와 연결되고, 애노드가 상기 제2 다이오드의 애노드와 연결되는 제3 다이오드;
    제1 단이 상기 제1 다이오드의 캐소드에 연결되고, 제2 단이 캐패시터의 제1 단과 연결되는 제1 인덕터; 및
    제1 단이 상기 제2 다이오드의 애노드에 연결되고, 제2 단이 상기 캐패시터의 제2 단에 연결되되, 상기 입력 전원 측에 마련된 제1 그라운드와 부하 측에 마련된 제2 그라운드가 전기적으로 절연되도록, 상기 제1 그라운드의 대지 전위와 상기 제2 그라운드의 대지 전위간 전압 차이에 따라 발생되는 누설 전류의 경로 상에 배치되고, 상기 제1 인덕터와 양의 상호 인덕턴스를 갖도록 자화 결합되며, 상기 제1 인덕터와 결합 인덕터를 형성하여 상기 결합 인버터의 등가 인덕턴스를 증가시키는 제2 인덕터를 포함하는, 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터는 상기 캐패시터를 통해 직렬로 연결되어, 상기 결합 인버터는 상기 제1 인덕터에 의한 제1 누설 인덕턴스, 상기 제2 인덕터에 의한 제2 누설 인덕턴스 및 자화 인덕턴스가 존재하는, 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 누설 전류를 억제하는 상기 결합 인덕터의 등가 인덕턴스는 상기 제2 누설 인덕턴스와 상기 자화 인덕턴스의 합으로 결정되는, 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 결합 인덕터는 상기 입력 전원으로부터 공급되는 입력 전압을 강압하고,
    강압된 입력 전압인 출력 전압의 리플을 제거하는 상기 결합 인덕터의 등가 인덕턴스는 상기 제1 누설 인덕턴스와 상기 제2 누설 인덕턴스의 합으로 결정되는, 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 부하는 상기 캐패시터와 병렬로 연결되는, 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터.
  6. 입력 전원의 제1 단과 직렬로 연결되는 제1 스위치;
    상기 입력 전원의 제2 단과 직렬로 연결되는 제2 스위치;
    애노드가 상기 제1 스위치와 연결되는 제1 다이오드;
    캐소드가 상기 제2 스위치와 연결되는 제2 다이오드;
    캐소드가 상기 제1 다이오드의 캐소드와 연결되고, 애노드가 상기 제2 다이오드의 애노드와 연결되는 제3 다이오드;
    제1 단이 상기 제1 다이오드의 캐소드에 연결되고, 제2 단이 캐패시터의 제1 단과 연결되는 제1 인덕터; 및
    제1 단이 상기 제2 다이오드의 애노드에 연결되고, 제2 단이 상기 캐패시터의 제2 단에 연결되되, 상기 입력 전원 측에 마련된 제1 그라운드와 부하 측에 마련된 제2 그라운드가 전기적으로 절연되도록, 상기 제1 그라운드의 대지 전위와 상기 제2 그라운드의 대지 전위간 전압 차이에 따라 발생되는 누설 전류의 경로 상에 배치되고, 상기 제1 인덕터와 음의 상호 인덕턴스를 갖도록 자화 결합되며, 상기 제1 인덕터와 결합 인덕터를 형성하여 상기 결합 인버터의 등가 인덕턴스를 증가시키는 제2 인덕터를 포함하는, 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터는 상기 캐패시터를 통해 직렬로 연결되어, 상기 결합 인버터는 상기 제1 인덕터에 의한 제1 누설 인덕턴스, 상기 제2 인덕터에 의한 제2 누설 인덕턴스 및 자화 인덕턴스가 존재하는, 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 누설전류를 억제하는 상기 결합 인덕터의 등가 인덕턴스는 상기 제1 누설 인덕턴스, 상기 제2 누설 인덕턴스와 상기 자화 인덕턴스의 합으로 결정되는, 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 결합 인덕터는 상기 입력 전원으로부터 공급되는 입력 전압을 강압하고,
    강압된 입력 전압인 출력 전압의 리플을 제거하는 상기 결합 인덕터의 등가 인덕턴스는 상기 제2 누설 인덕턴스와 상기 자화 인덕턴스의 합으로 결정되는, 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 부하는 상기 캐패시터와 병렬로 연결되는, 결합 인덕터를 갖는 절연형 컨버터.
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