KR20210057857A - Bidirectional isolated DC-DC converter and operation method thereof - Google Patents

Bidirectional isolated DC-DC converter and operation method thereof Download PDF

Info

Publication number
KR20210057857A
KR20210057857A KR1020190144088A KR20190144088A KR20210057857A KR 20210057857 A KR20210057857 A KR 20210057857A KR 1020190144088 A KR1020190144088 A KR 1020190144088A KR 20190144088 A KR20190144088 A KR 20190144088A KR 20210057857 A KR20210057857 A KR 20210057857A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
switches
clamping
output
voltage
converter
Prior art date
Application number
KR1020190144088A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
노용수
박준성
김진홍
주동명
현병조
최준혁
Original Assignee
한국전자기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전자기술연구원 filed Critical 한국전자기술연구원
Priority to KR1020190144088A priority Critical patent/KR20210057857A/en
Publication of KR20210057857A publication Critical patent/KR20210057857A/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33576—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer
    • H02M3/33584—Bidirectional converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Abstract

The present invention relates to a current source-bidirectional isolated DC-DC converter and a control method thereof, wherein the current source-bidirectional isolated DC-DC converter comprises: an input power source; primary side switches connected in parallel to the input power source; a transformer having one end connected to the primary side switches; secondary side switches connected to the other end of the transformer; clamping switches connected to the secondary side switches; a clamping capacitor connected to the clamping switches; inductors of an output unit connected to the other end of the transformer, the secondary side switches and the clamping switches; an output power source connected to the inductors of the output unit; and a control circuit controlling at least one switch among the primary side switches, the secondary side switches, and the clamping switches, wherein the control circuit controls the at least one switch to constantly maintain a voltage of the clamping capacitor. The present invention can reduce a loss occurring in the switches and passive elements to enhance efficiency of the converter.

Description

양방향 절연형 DC-DC 컨버터 및 이의 운용 방법{Bidirectional isolated DC-DC converter and operation method thereof}Bidirectional isolated DC-DC converter and operation method thereof

본 발명은 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 클램핑 커패시터 전압을 일정하게 제어하여 손실 저감을 최소화할 수 있는 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터 및 이의 운용 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a current source bidirectional insulated DC-DC converter, and more particularly, to a current source bidirectional insulated DC-DC converter capable of minimizing loss reduction by constantly controlling a clamping capacitor voltage, and a method of operating the same.

기존의 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터는 출력 전압 또는 출력 전류를 제어하기 위해 전력반도체 스위치(IGBT 또는 MOS-FET)의 시비율을 제어하거나, 또는 변압기 1, 2차 측의 스위치의 위상을 제어하고 있다. 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터는 스위치의 시비율이 50% 이하에서 동작되는 경우, 인덕터의 불연속 전류에 의해 높은 전압 스파이크가 발생하기 때문에 이를 저감시키기 위한 클램프 회로가 필요하다. 하지만 기존의 스위칭 방식을 적용하는 경우 클램프 회로 내의 커패시터 전압의 크기가 스위치의 시비율에 의해 가변되기 때문에 효율이 저감하는 문제가 발생할 수 있다. Conventional current source bidirectional isolated DC-DC converters control the ratio of power semiconductor switches (IGBT or MOS-FET) to control the output voltage or output current, or control the phase of the switches on the primary and secondary sides of the transformer. I'm doing it. The current source bidirectional isolated DC-DC converter requires a clamp circuit to reduce the voltage spike due to the discontinuous current of the inductor when the switch is operated at 50% or less. However, when the conventional switching method is applied, a problem of reducing efficiency may occur because the size of the capacitor voltage in the clamp circuit is varied by the application ratio of the switch.

본 발명은 클램프 회로가 추가된 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 시비율 및 변압기 1, 2차 간의 위상을 동시에 제어하여, 클램프 회로의 커패시터 전압을 일정 수준으로 유지함으로써 전력변환회로 내 스위치 및 수동 소자에 흐르는 전류의 첨두값을 저감시켜 효율을 향상시키는 양방향 절연형 DC-DC 컨버터 및 이의 운용 방법을 제공함에 있다. The present invention controls the voltage ratio of the current source bidirectional insulated DC-DC converter to which the clamp circuit is added and the phase between the transformer primary and secondary at the same time, and maintains the capacitor voltage of the clamp circuit at a certain level. It is to provide a bidirectional insulated DC-DC converter that improves efficiency by reducing the peak value of the current flowing through the device and a method of operating the same.

본 발명의 실시 예에 따른 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터는 입력 전원, 상기 입력 전원에 병렬로 연결되는 1차 측 스위치들, 상기 1차 측 스위치들에 일단이 연결되는 변압기, 상기 변압기의 타단에 연결되는 2차 측 스위치들, 상기 2차 측 스위치들과 연결되는 클램핑 스위치들, 상기 클램핑 스위치들과 연결되는 클램핑 커패시터, 상기 변압기의 타단 및 상기 2차 측 스위치들 및 상기 클램핑 스위치들에 연결되는 출력부 인덕터들, 상기 출력부 인덕터들에 연결되는 출력 전원, 상기 1차 측 스위치들, 상기 2차 측 스위치들, 상기 클램핑 스위치들 중 적어도 하나의 스위치를 제어하는 제어 회로를 포함하고, 상기 제어 회로는 상기 클램핑 커패시터의 전압이 일정하게 유지되도록 상기 적어도 하나의 스위치들을 제어하는 것을 특징으로 한다.The current source bidirectional isolated DC-DC converter according to an embodiment of the present invention includes an input power source, primary switches connected in parallel to the input power, a transformer having one end connected to the primary switches, and the other end of the transformer. Secondary-side switches connected to, clamping switches connected to the secondary-side switches, clamping capacitors connected to the clamping switches, the other end of the transformer and the secondary switches and connected to the clamping switches A control circuit for controlling at least one of the output inductors, the output power connected to the output inductors, the primary-side switches, the secondary-side switches, and the clamping switches, the The control circuit is characterized in that it controls the at least one switch so that the voltage of the clamping capacitor is kept constant.

여기서, 상기 제어 회로는 상기 클램핑 커패시터의 전압이 일정하게 유지되도록 상기 스위치들의 시비율과 위상을 동시 제어하는 것을 특징으로 한다.Here, the control circuit is characterized in that simultaneously controlling the phase ratio and phase of the switches so that the voltage of the clamping capacitor is kept constant.

또한, 상기 제어 회로는 상기 클램핑 커패시터의 전압 지령치 및 클램핑 커패시터의 전압 측정치를 입력으로 받아서 d 상 출력을 생성하는 제1 전압 제어기, 상기 출력 전원의 전압 지령치 및 상기 출력 전원의 측정치를 입력으로 받아서 비례항과 적분항의 합을 통해 출력 값을 생성하는 제2 전압 제어기, 상기 제2 전압 제어기의 출력과 상기 출력 전원의 출력 전류 값을 입력으로 받아 q 상 출력을 생성하는 전류 제어기, 상기 d 상 출력 및 상기 q상 출력을 입력으로 받아서, 상기 적어도 하나의 스위치들의 제어 신호를 생성하는 PWM을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the control circuit receives the voltage command value of the clamping capacitor and the voltage measurement value of the clamping capacitor as inputs and generates a phase d output, the voltage command value of the output power and the measured value of the output power as inputs and a proportional term And a second voltage controller that generates an output value through the sum of the integral term, a current controller that receives the output of the second voltage controller and the output current value of the output power as inputs to generate a q-phase output, the d-phase output, and the and a PWM for generating a control signal of the at least one switch by receiving the q-phase output as an input.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 제어 방법은, 입력 전원에 연결되는 1차 측 스위치들과 출력 전원에 연결되는 2차 측 스위치들 및 상기 1차 측 스위치들과 상기 2차 측 스위치들 사이에 배치되는 변압기와, 상기 2차 측 스위치들과 연결되는 클램핑 스위치들 및 상기 클램핑 스위치들과 연결되는 클램핑 커패시터를 포함하는 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터 제어 방법에 있어서, 상기 컨버터에 연결되는 제어 회로가, 상기 클램핑 커패시터의 전압 지령치와 상기 클램핑 커패시터의 측정치를 기반으로 상기 클램핑 커패시터의 전압이 일정하게 유지되도록 하는 제어 신호를 생성하는 단계 및 상기 제어 신호를 상기 1차 측 스위치들, 상기 2차 측 스위치들 및 상기 클램핑 스위치들 중 적어도 하나의 스위치에 공급하여, 상기 클램핑 커패시터의 전압이 일정하게 유지되도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, a method of controlling a current source bidirectional insulated DC-DC converter according to an embodiment of the present invention includes primary-side switches connected to an input power source, secondary-side switches connected to an output power source, and the primary-side switches. And a transformer disposed between the secondary switches, clamping switches connected to the secondary switches, and clamping capacitors connected to the clamping switches. Wherein the control circuit connected to the converter generates a control signal for maintaining a constant voltage of the clamping capacitor based on a voltage command value of the clamping capacitor and a measured value of the clamping capacitor, and generating the control signal 1 And controlling to maintain a constant voltage of the clamping capacitor by supplying to at least one of primary switches, secondary switches, and clamping switches.

여기서, 상기 제어 신호를 생성하는 단계는 상기 클램핑 커패시터의 전압이 일정하게 유지되도록 상기 스위치들의 시비율과 위상을 동시 제어하는 제어 신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, the step of generating the control signal may include generating a control signal for simultaneously controlling the phase ratio and phase of the switches so that the voltage of the clamping capacitor is kept constant.

본 발명은 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 클램핑 커패시터 전압을 모든 동작 범위에서 일정하게 제어함으로써 스위치 및 수동소자에서 발생하는 손실을 저감하여 컨버터의 효율을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the clamping capacitor voltage of the current source bidirectional insulated DC-DC converter is constantly controlled in all operating ranges, thereby reducing losses generated in switches and passive elements, thereby improving the efficiency of the converter.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 제어 기법이 적용되는 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터 제어를 위한 제어 회로의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 제어 기법에 따른 변압기 전류 파형의 한 예를 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating an example of a current source bidirectional isolated DC-DC converter to which a control technique according to an embodiment of the present invention is applied.
2 is a diagram showing an example of a control circuit for controlling a converter according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing an example of a transformer current waveform according to a control technique according to an embodiment of the present invention.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.In the following description, it should be noted that only parts necessary to understand the embodiments of the present invention will be described, and descriptions of other parts will be omitted without distracting the gist of the present invention.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The terms or words used in the present specification and claims described below should not be construed as being limited to a conventional or dictionary meaning, and the inventor is appropriate as a concept of terms in order to describe his own invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention on the basis of the principle that it can be defined as such. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only preferred embodiments of the present invention, and do not represent all the technical ideas of the present invention, and various equivalents that can replace them at the time of application It should be understood that there may be variations and variations.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 제어 방법이 적용되는 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 구성의 한 예를 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing an example of a configuration of a current source bidirectional insulated DC-DC converter to which a control method according to an embodiment of the present invention is applied.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터(100)는 입력 전원(Vin), 출력 전원(Vout), 1차 측 스위치들(S1, S2, S3, S4, S5, S6), 2차 측 스위치들(S8, S10, S12), 출력부 인덕터들(Lf1, Lf2, Lf3), 변압기(110), 클램핑 회로를 구성하는 클램핑 스위치들(S7, S9, S11)과 클램핑 커패시터(Cact), 및 출력 커패시터(Cft)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a current source bidirectional insulated DC-DC converter 100 according to an embodiment of the present invention includes input power (Vin), output power (Vout), and primary-side switches (S1, S2, S3, S4). , S5, S6), secondary switches S8, S10, S12, output inductors Lf1, Lf2, Lf3, transformer 110, clamping switches S7, S9, S11 constituting a clamping circuit ) And a clamping capacitor Cact, and an output capacitor Cft.

상기 1차 측 스위치들(S1, S2, S3, S4, S5, S6)은 예컨대, 입력 전원(Vin)에 병렬로 연결되면서 상호 간에 직렬로 연결되는 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2), 입력 전원(Vin) 및 상기 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)에 병렬로 연결되면서 상호 간에 직렬로 연결되는 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4), 입력 전원(Vin)과 제1 내지 제4 스위치들(S1, S2, S3, S4)에 병렬로 연결되면서 상호 간에 직렬로 연결되는 제5 스위치(S5)와 제6 스위치(S6)를 포함할 수 있다. The primary-side switches S1, S2, S3, S4, S5, S6 are, for example, connected in parallel to the input power Vin, and a first switch S1 and a second switch S2 connected in series with each other. ), input power (Vin), a third switch (S3) and a fourth switch (S4) connected in series to each other while being connected in parallel to the first switch (S1) and the second switch (S2), and input power ( Vin) and the first to fourth switches S1, S2, S3, and S4 may be connected in parallel and may include a fifth switch S5 and a sixth switch S6 connected in series with each other.

상기 변압기(110)는 1차 측 권선과 2차 측 권선이 일정 비율로 인접되게 배치되는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 변압기(110)는 제1 권선비를 가지는 제1 변압기(T1), 제2 권선비를 가지는 제2 변압기(T2), 제3 권선비를 가지는 제3 변압기(T3)를 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제3 권선비는 동일하게 구성될 수 있으며, 클램핑 회로의 클램핑 커패시터(Cact)의 전압을 일정하게 유지하기 위하여 적어도 하나의 변압기의 권선비가 다른 변압기의 권선비와 다르게 구성될 수도 있다. 각각의 변압기들에는 인덕터들이 변열로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 변압기(T1)에는 제1 인덕터(La1)와 제2 인덕터(Lm1)가 병렬로 연결되며, 제2 변압기(T2)에는 제3 인덕터(La2)와 제4 인덕터(Lm2)가 병렬로 연결되고, 제3 변압기(T3)에는 제5 인덕터(La3)와 제6 인덕터(Lm3)가 병렬로 연결될 수 있다. 상기 제1 변압기(T1)의 1차 측은 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 사이의 노드에 일측이 연결되며, 제2 변압기(T2)의 1차 측은 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4) 사이의 노드에 일측이 연결되고, 제3 변압기(T3)의 1차 측은 제5 스위치(S5)와 제6 스위치(S6) 사이의 노드에 일측이 연결될 수 있다. The transformer 110 may have a structure in which a primary winding and a secondary winding are disposed adjacent to each other at a predetermined ratio. For example, the transformer 110 may include a first transformer T1 having a first turns ratio, a second transformer T2 having a second turns ratio, and a third transformer T3 having a third turns ratio. The first to third turns ratios may be the same, and in order to keep the voltage of the clamping capacitor Cact of the clamping circuit constant, the turns ratio of at least one transformer may be configured differently from that of other transformers. Inductors may be connected to each of the transformers by transformer heat. For example, a first inductor La1 and a second inductor Lm1 are connected in parallel to the first transformer T1, and a third inductor La2 and a fourth inductor Lm2 are connected to the second transformer T2. Are connected in parallel, and the fifth inductor La3 and the sixth inductor Lm3 may be connected in parallel to the third transformer T3. The primary side of the first transformer T1 is connected to a node between the first switch S1 and the second switch S2, and the primary side of the second transformer T2 is the third switch S3 and One side may be connected to a node between the fourth switch S4, and a primary side of the third transformer T3 may be connected to a node between the fifth switch S5 and the sixth switch S6.

상기 2차 측 스위치들(S8, S10, S12)은 클램핑 스위치들(S7, S9, S11)과 각각 직렬로 연결되면서, 출력부 인덕터들(Lf1, Lf2, Lf3)과 병렬로 연결될 수 있다. 예컨대, 클램핑 스위치인 제7 스위치(S7)와 2차 측 스위치인 제8 스위치(S8)는 직렬로 연결되며, 제7 스위치(S7)와 제8 스위치(S8) 사이의 노드에 제1 변압기(T1)의 2차 측 출력단과 제1 출력부 인덕터(Lf1) 일측이 연결될 수 있다. 이와 유사하게, 클램핑 스위치인 제9 스위치(S9)와 2차 측 스위치인 제10 스위치(S10)는 직렬로 연결되며, 상기 제9 스위치(S9)와 제10 스위치(S10) 사이의 노드에 제2 변압기(T2)의 2차 측 출력단과 제2 출력부 인덕터(Lf2) 일측이 연결될 수 있다. 또한, 클램핑 스위치인 제11 스위치(S11)와 2차 측 스위치인 제12 스위치(S12)는 직렬로 연결되며, 상기 제11 스위치(S11)와 제12 스위치(S12) 사이의 노드에 제3 변압기(T3)의 2차 측 출력단과 제3 출력부 인덕터(Lf3)의 일측이 연결될 수 있다. 출력부 인덕터들(Lf1, Lf2, Lf3)은 서로 병렬로 연결되며, 출력부 인덕터들(Lf1, Lf2, Lf3)의 출력단에는 출력 커패시터(Cft) 및 출력 전원(Vout)이 연결될 수 있다. 클램핑 커패시터(Cact)의 일단은 클램핑 스위치들(S7, S9, S11)의 일단과 연결되고, 타단은 2차 측 스위치들(S8, S10, S12)의 일단과 연결되도록 배치될 수 있다. The secondary switches S8, S10, and S12 may be connected in series with the clamping switches S7, S9, and S11, respectively, and may be connected in parallel with the output inductors Lf1, Lf2, and Lf3. For example, a seventh switch (S7) as a clamping switch and an eighth switch (S8) as a secondary switch are connected in series, and a first transformer ( The secondary output terminal of T1) and one side of the first output inductor Lf1 may be connected. Similarly, a ninth switch (S9) as a clamping switch and a tenth switch (S10) as a secondary switch are connected in series, and are connected to the node between the ninth switch (S9) and the tenth switch (S10). 2 The secondary output terminal of the transformer T2 and one side of the second output inductor Lf2 may be connected. In addition, the eleventh switch (S11) as a clamping switch and the twelfth switch (S12) as a secondary side switch are connected in series, and a third transformer is located at a node between the eleventh switch (S11) and the twelfth switch (S12). The secondary output terminal of T3 and one side of the third output inductor Lf3 may be connected. The output inductors Lf1, Lf2, and Lf3 are connected in parallel to each other, and an output capacitor Cft and an output power Vout may be connected to the output terminals of the output inductors Lf1, Lf2, and Lf3. One end of the clamping capacitor Cact may be connected to one end of the clamping switches S7, S9, and S11, and the other end may be arranged to be connected to one end of the secondary side switches S8, S10, S12.

상술한 구조를 가지는 본 발명의 실시 예에 따른 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터(100)는 출력부의 전압 범위에 따라 시비율(Duty ratio)이 50% 이하가 될 때 2차 측 스위치들(S8, S10, S12)에 발생하는 전압 스파이크를 저감시키기 위해 보조 클램핑 회로로 클램핑 스위치(S7, S9, S11)와 클램핑 커패시터(Cact)가 변압기(110) 2차 측에 구성된다. 이러한 본 발명의 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터(100)는 클램핑 회로의 클램핑 커패시터(Cact)의 전압이 일정하게 유지되도록 변압기 1, 2차 측의 대응되는 스위치들(예: S1-S7, S2-S8)의 시비율을 조정함으로써, 컨버터 내의 스위치 및 수동소자에 흐르는 전류의 첨두값 상승을 억제하여 전력 효율을 개선할 수 있다.The current source bidirectional insulated DC-DC converter 100 according to an embodiment of the present invention having the above-described structure includes the secondary switches S8 when the duty ratio becomes 50% or less according to the voltage range of the output unit. , S10, S12, clamping switches S7, S9, S11 and clamping capacitors Cact are configured on the secondary side of the transformer 110 as auxiliary clamping circuits in order to reduce voltage spikes occurring in the transformer 110. The current source bidirectional insulated DC-DC converter 100 of the present invention includes corresponding switches (eg, S1-S7, S2) on the primary and secondary sides of the transformer so that the voltage of the clamping capacitor Cact of the clamping circuit is kept constant. By adjusting the application rate of -S8), it is possible to improve power efficiency by suppressing an increase in the peak value of the current flowing through the switches and passive elements in the converter.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 제어 회로의 한 예를 나타낸 도면이며, 도 3은 도 2에서 설명한 제어 회로를 기반으로 스위치 및 수동 소자에 흐르는 전류의 실효값을 이전 제어 방식과 비교하여 나타낸 도면이다.2 is a diagram showing an example of a control circuit of a current source bidirectional insulated DC-DC converter according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an effective current flowing through a switch and a passive element based on the control circuit described in FIG. It is a diagram showing the value compared with the previous control method.

먼저, 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 제어 회로(200)는 제1 전압 제어기(210), 제2 전압 제어기(220), 전류 제어기(230) 및 PWM(240)을 포함할 수 있다. First, referring to FIG. 2, the control circuit 200 according to an embodiment of the present invention includes a first voltage controller 210, a second voltage controller 220, a current controller 230, and a PWM 240. I can.

상기 제1 전압 제어기(210)는 클램핑 전압 지령치(V*Cact) 및 클램핑 전압 측정치(VCact)를 입력으로 받는 제1 합산기(211)와, 상기 제1 합산기(211)의 출력에 병렬로 연결되는 제1 비례항(210Kp) 및 제1 적분항(210Ki)과 제1 적분기(218), 상기 제1 비례항(210Kp)의 출력과 제1 적분기(218)의 출력을 합산하는 제2 합산기(212) 및 상기 제2 합산기(212)의 출력을 제한하는 제1 리미터(219)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 합산기(211)는 클램핑 전압 측정치(VCact)에 음의 값을 부여하여 합산할 수 있다. 상기 제1 리미터(219)의 출력은 d상 출력 값으로 PWM(240)에 공급될 수 있다. The first voltage controller 210 includes a first summer 211 receiving a clamping voltage command value (V* Cact ) and a clamping voltage measurement value (V Cact ) as inputs, and parallel to the output of the first summer 211 A second summer that sums the output of the first proportional term (210Kp) and the first integral term (210Ki) and the first integrator (218), and the output of the first proportional term (210Kp) and the first integrator (218) connected to 212 and a first limiter 219 for limiting the output of the second summer 212 may be included. Here, the first summer 211 may add a clamping voltage measured value V Cact by giving a negative value. The output of the first limiter 219 may be supplied to the PWM 240 as a d-phase output value.

상기 제2 전압 제어기(220)는 출력 전압 지령치(V*out) 및 출력 전압 측정치(Vout)를 입력으로 받는 제3 합산기(221)와, 상기 제3 합산기(221)의 출력에 병렬로 연결되는 제2 비례항(220Kp) 및 제2 적분항(220Ki)과 제2 적분기(228), 상기 제2 비례항(220Kp)의 출력과 제2 적분기(228)의 출력을 합산하는 제4 합산기(222) 및 상기 제4 합산기(222)의 출력을 제한하는 제2 리미터(229)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제3 합산기(221)는 출력 전압 측정치(Vout)에 음의 값을 부여하여 합산할 수 있다. 상기 제2 리미터(229)의 출력은 전류 제어기(230)의 입력으로 전달될 수 있다.The second voltage controller 220 is a third summer 221 receiving an output voltage command value (V* out ) and an output voltage measurement value (V out ) as inputs, and parallel to the output of the third summer 221 A fourth summer for summing the output of the second proportional term (220Kp) and the second integral term (220Ki) and the second integrator (228), and the output of the second proportional term (220Kp) and the second integrator (228) 222 and a second limiter 229 for limiting the output of the fourth summer 222 may be included. Here, the third summer 221 may add a negative value to the measured output voltage V out. The output of the second limiter 229 may be transmitted to the input of the current controller 230.

전류 제어기(230)는 제2 리미터(229)의 출력과 출력 전류(Iout)를 합산하는 제5 합산기(231), 상기 제5 합산기(231)의 출력에 병렬로 연결되는 제3 비례항(230Kp) 및 제3 적분항(230Ki)과 제3 적분기(238), 상기 제3 비례항(230Kp)의 출력과 제3 적분기(238)의 출력을 합산하는 제6 합산기(232) 및 상기 제6 합산기(232)의 출력을 제한하는 제3 리미터(239)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제5 합산기(231)는 출력 전류(Iout)에 음의 값을 부여하여 합산할 수 있다. 상기 제3 리미터(239)의 출력은 q상 출력 값으로 PWM(240)에 입력으로 전달될 수 있다.The current controller 230 includes a fifth summer 231 that sums the output of the second limiter 229 and the output current I out , and a third proportional term connected in parallel to the output of the fifth summer 231. (230Kp) and a third integral term (230Ki) and a third integrator (238), a sixth summer (232) and the fourth summation of the output of the third proportional term (230Kp) and the output of the third integrator (238). 6 A third limiter 239 for limiting the output of the summer 232 may be included. Here, the fifth summer 231 may add a negative value to the output current I out. The output of the third limiter 239 may be transmitted as an input to the PWM 240 as a q-phase output value.

상기 PWM(240)은 상기 제1 전압 제어기(210)로부터 전달된 d상 출력 값과 상기 전류 제어기(230)로부터 전달된 q 상 출력 값을 기반으로 제1 내지 제12 스위치들(S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, S11, S12)의 시비율을 조절할 수 있는 제어 신호(Q1, ... Q6, Q7,... Q12)를 생성하고, 생성된 제어 신호를 각 스위치들에 제공할 수 있다. 이 동작에서, 상기 PWM(240)은 상기 클램핑 커패시터(Cact)의 전압이 일정하게 유지되도록 제1 내지 제12 스위치들(S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, S11, S12)의 시비율을 조절할 수 있다.The PWM 240 includes the first to twelfth switches S1, S2, based on the d-phase output value transmitted from the first voltage controller 210 and the q-phase output value transmitted from the current controller 230. S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, S11, S12) generates a control signal (Q1, ... Q6, Q7, ... Q12) that can adjust the application ratio of the Control signals can be provided to each of the switches. In this operation, the PWM 240 is the first to twelfth switches S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10 so that the voltage of the clamping capacitor Cact is kept constant. , S11, S12) can be adjusted.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 제어 회로(200)는 클램핑 커패시터(Cact)의 전압이 가변되어 손실이 증가하는 것을 방지하기 위해, 스위치들의 시비율 가변을 통해 클램핑 커패시터(Cact)의 전압을 일정값으로 제어하고, 출력 전압이나 전류를 변압기 1, 2차 측의 대응되는 스위치의 위상차로 제어할 수 있다. 이 경우, 본 발명의 제어 회로(200)는 변압기(110)의 1, 2차 측에 인가되는 전압의 크기를 동일하게 제어하기 때문에, 동일한 동작 조건에서 기존 제어방식에 비해 스위치 및 수동소자에 흐르는 전류의 실효값이 도 3과 같이 작아질 수 있어 손실을 줄일 수 있다는 장점이 있다. As described above, the control circuit 200 according to an embodiment of the present invention is to prevent an increase in loss due to a variable voltage of the clamping capacitor Cact. The voltage can be controlled to a constant value, and the output voltage or current can be controlled by the phase difference of the corresponding switches on the primary and secondary sides of the transformer. In this case, since the control circuit 200 of the present invention equally controls the magnitude of the voltage applied to the primary and secondary sides of the transformer 110, it flows through the switch and the passive element compared to the conventional control method under the same operating condition. There is an advantage in that the effective value of the current can be reduced as shown in FIG. 3 to reduce the loss.

상술한 바와 같이, 본 발명의 제어 회로(200)는 변압기 1, 2차 측 스위치들(S8, S10, S12)의 시비율과 위상을 동시에 제어하여, 클램핑 커패시터(Cact)의 전압이 일정값으로 제어함에 따라 회로 내 스위치와 수동소자에 흐르는 전류의 실효값을 줄여서 전력 효율을 개선할 수 있다. As described above, the control circuit 200 of the present invention simultaneously controls the phase ratio and the phase of the transformer primary and secondary switches S8, S10, S12, so that the voltage of the clamping capacitor Cact becomes a constant value. According to the control, power efficiency can be improved by reducing the effective value of the current flowing through the switches and passive elements in the circuit.

도 3에서 301 그래프는 기존 제어 방법에 따른 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터의 변압기 전류 파형을 나타낸 도면이며, 303 그래프는 본 발명의 실시 예에 따른 제어 방법에 따른 변압기 전류 파형을 나타낸 도면이다.In FIG. 3, graph 301 is a view showing the transformer current waveform of the current source bidirectional insulated DC-DC converter according to the conventional control method, and graph 303 is a view showing the transformer current waveform according to the control method according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터 제어 방법의 한 예를 나타낸 도면이다.4 is a diagram illustrating an example of a method for controlling a current source bidirectional insulated DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터 제어 방법과 관련하여, S101 단계에서, 컨버터(100)(예: 도 1에 개시된 양방향 절연형 DC-DC 컨버터(100))와 전기적으로 연결되는 제어 회로(200)는 상기 컨버터()에 포함된 클램핑 커패시터(Cact)의 전압이 일정하게 유지되도록 상기 컨버터(100)에 포함된 적어도 하나의 스위치들을 제어하는 제어 신호를 생성할 수 있다. 4, in relation to the method for controlling a current source bidirectional isolated DC-DC converter according to an embodiment of the present invention, in step S101, the converter 100 (for example, the bidirectional isolated DC-DC converter disclosed in FIG. 100)) and the control circuit 200 electrically connected to the control signal for controlling at least one switch included in the converter 100 so that the voltage of the clamping capacitor Cact included in the converter 100 is kept constant. Can be created.

S103 단계에서, 상기 제어 회로(200)는 상기 제어 신호를 적어도 하나의 스위치들에 제공하고, 상기 스위치들의 시비율과 위상을 동시 제어하여, 상기 클램핑 커패시터(Cact)의 전압이 일정하게 유지되도록 제어할 수 있다. In step S103, the control circuit 200 provides the control signal to at least one switch, and controls the voltage of the clamping capacitor Cact to be kept constant by simultaneously controlling the ratio and phase of the switches. can do.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.On the other hand, the embodiments disclosed in the specification and drawings are only presented specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It is obvious to those of ordinary skill in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention may be implemented in addition to the embodiments disclosed herein.

100: 컨버터
110: 변압기
S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, S11, S12: 스위치
Lf1, Lf2, Lf3: 출력부 인덕터
Cact: 클램핑 커패시터
Cft: 출력 커패시터
200: 제어 회로
210: 제1 전압 제어기
220: 제2 전압 제어기
230: 전류 제어기
240: PWM100: converter
110: transformer
S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, S11, S12: Switch
Lf1, Lf2, Lf3: output inductor
Cact: clamping capacitor
Cft: output capacitor
200: control circuit
210: first voltage controller
220: second voltage controller
230: current controller
240: PWM

Claims (5)

입력 전원;
상기 입력 전원에 병렬로 연결되는 1차 측 스위치들;
상기 1차 측 스위치들에 일단이 연결되는 변압기;
상기 변압기의 타단에 연결되는 2차 측 스위치들;
상기 2차 측 스위치들과 연결되는 클램핑 스위치들;
상기 클램핑 스위치들과 연결되는 클램핑 커패시터;
상기 변압기의 타단 및 상기 2차 측 스위치들 및 상기 클램핑 스위치들에 연결되는 출력부 인덕터들;
상기 출력부 인덕터들에 연결되는 출력 전원;,
상기 1차 측 스위치들, 상기 2차 측 스위치들, 상기 클램핑 스위치들 중 적어도 하나의 스위치를 제어하는 제어 회로;를 포함하고,
상기 제어 회로는
상기 클램핑 커패시터의 전압이 일정하게 유지되도록 상기 적어도 하나의 스위치들을 제어하는 것을 특징으로 하는 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터.Input power;
Primary-side switches connected in parallel to the input power;
A transformer having one end connected to the primary-side switches;
Secondary switches connected to the other end of the transformer;
Clamping switches connected to the secondary switches;
A clamping capacitor connected to the clamping switches;
Output inductors connected to the other end of the transformer and the secondary switches and the clamping switches;
Output power connected to the output inductors;,
A control circuit for controlling at least one of the primary-side switches, the secondary-side switches, and the clamping switches; and
The control circuit is
A current source bidirectional insulated DC-DC converter, characterized in that controlling the at least one switch to maintain a constant voltage of the clamping capacitor. 제1항에 있어서,
상기 제어 회로는
상기 클램핑 커패시터의 전압이 일정하게 유지되도록 상기 스위치들의 시비율과 위상을 동시 제어하는 것을 특징으로 하는 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터.The method of claim 1,
The control circuit is
A current source bidirectional insulated DC-DC converter, characterized in that simultaneously controlling the phase ratio and phase of the switches so that the voltage of the clamping capacitor is kept constant. 제1항에 있어서,
상기 제어 회로는
상기 클램핑 커패시터의 전압 지령치 및 클램핑 커패시터의 전압 측정치를 입력으로 받아서 d 상 출력을 생성하는 제1 전압 제어기;
상기 출력 전원의 전압 지령치 및 상기 출력 전원의 측정치를 입력으로 받아서 비례항과 적분항의 합을 통해 출력 값을 생성하는 제2 전압 제어기;
상기 제2 전압 제어기의 출력과 상기 출력 전원의 출력 전류 값을 입력으로 받아 q 상 출력을 생성하는 전류 제어기;
상기 d 상 출력 및 상기 q상 출력을 입력으로 받아서, 상기 적어도 하나의 스위치들의 제어 신호를 생성하는 PWM;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터.The method of claim 1,
The control circuit is
A first voltage controller receiving a voltage command value of the clamping capacitor and a voltage measurement value of the clamping capacitor as inputs and generating a phase d output;
A second voltage controller that receives a voltage command value of the output power and a measured value of the output power as inputs and generates an output value through a sum of a proportional term and an integral term;
A current controller receiving an output of the second voltage controller and an output current value of the output power as inputs and generating a q-phase output;
And a PWM for receiving the d-phase output and the q-phase output as inputs and generating control signals of the at least one switch. 입력 전원에 연결되는 1차 측 스위치들과 출력 전원에 연결되는 2차 측 스위치들 및 상기 1차 측 스위치들과 상기 2차 측 스위치들 사이에 배치되는 변압기와, 상기 2차 측 스위치들과 연결되는 클램핑 스위치들 및 상기 클램핑 스위치들과 연결되는 클램핑 커패시터를 포함하는 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터 제어 방법에 있어서,
상기 컨버터에 연결되는 제어 회로가, 상기 클램핑 커패시터의 전압 지령치와 상기 클램핑 커패시터의 측정치를 기반으로 상기 클램핑 커패시터의 전압이 일정하게 유지되도록 하는 제어 신호를 생성하는 단계;
상기 제어 신호를 상기 1차 측 스위치들, 상기 2차 측 스위치들 및 상기 클램핑 스위치들 중 적어도 하나의 스위치에 공급하여, 상기 클램핑 커패시터의 전압이 일정하게 유지되도록 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터 제어 방법.Primary-side switches connected to input power, secondary-side switches connected to output power, a transformer disposed between the primary-side switches and the secondary-side switches, and connection with the secondary-side switches In the current source bidirectional insulated DC-DC converter control method comprising clamping switches and clamping capacitors connected to the clamping switches,
Generating, by a control circuit connected to the converter, a control signal for maintaining a constant voltage of the clamping capacitor based on a voltage command value of the clamping capacitor and a measured value of the clamping capacitor;
And controlling the voltage of the clamping capacitor to be kept constant by supplying the control signal to at least one of the primary switches, the secondary switches, and the clamping switches. Current source bidirectional isolated DC-DC converter control method. 제4항에 있어서,
상기 제어 신호를 생성하는 단계는
상기 클램핑 커패시터의 전압이 일정하게 유지되도록 상기 스위치들의 시비율과 위상을 동시 제어하는 제어 신호를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류원 양방향 절연형 DC-DC 컨버터 제어 방법.The method of claim 4,
Generating the control signal comprises:
And generating a control signal for simultaneously controlling the phase ratio and phase of the switches so that the voltage of the clamping capacitor is kept constant.
KR1020190144088A 2019-11-12 2019-11-12 Bidirectional isolated DC-DC converter and operation method thereof KR20210057857A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190144088A KR20210057857A (en) 2019-11-12 2019-11-12 Bidirectional isolated DC-DC converter and operation method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190144088A KR20210057857A (en) 2019-11-12 2019-11-12 Bidirectional isolated DC-DC converter and operation method thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20210057857A true KR20210057857A (en) 2021-05-24

Family

ID=76153260

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190144088A KR20210057857A (en) 2019-11-12 2019-11-12 Bidirectional isolated DC-DC converter and operation method thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20210057857A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4628426A (en) Dual output DC-DC converter with independently controllable output voltages
US9263960B2 (en) Power converters for wide input or output voltage range and control methods thereof
US7787261B2 (en) Intermediate bus architecture with a quasi-regulated bus converter
US8934267B2 (en) Loosely regulated feedback control for high efficiency isolated DC-DC converters
US7880451B2 (en) Method and apparatus for power conversion and regulation
US11742766B2 (en) Welding power supply with extended voltage characteristic
US9160238B2 (en) Power converter with current feedback loop
US10193464B2 (en) DC-DC converter
US20120292996A1 (en) Multi-output dc-to-dc conversion apparatus with voltage-stabilizing function
US20110176336A1 (en) Isolated current regulated DC-DC converter
US10177663B2 (en) DC-DC converting circuit and multi-phase power controller thereof
US11757365B2 (en) Dynamic transient control in resonant converters
TWI790657B (en) Controlling reverse current in switched mode power supplies to achieve zero voltage switching
US8711588B1 (en) Power supply device
US9190914B2 (en) Switching power supply apparatus
US20020172057A1 (en) Power supply arrangement comprising a DC/DC converter
US9705412B2 (en) Pulsed feedback switching converter
US11784560B2 (en) Power conversion circuit
KR20210057857A (en) Bidirectional isolated DC-DC converter and operation method thereof
JP2001103755A (en) Phase control post regulator, operation thereof, and power converter therewith
US20210288584A1 (en) Switching power supply device
US20230170810A1 (en) Selectable three-level, half-bridge circuit
JP6417543B2 (en) Switching power supply
KR101299476B1 (en) Power conversion device
JP3263709B2 (en) Switching power supply

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application