KR20210063707A - LLC resonant converter - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an LLC resonant converter and, more specifically, to an LLC resonant converter for an electric vehicle on-board charger. The LLC resonant converter modifies a circuit structure compared to the conventional LLC resonant converter so as to operate in multiple control modes, thereby increasing efficiency.

Description

LLC 공진 컨버터 {LLC resonant converter}LLC resonant converter {LLC resonant converter}

본 발명은 LLC 공진 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기자동차 온보드 충전기를 위한 LLC 공진 컨버터로서, 종래의 LLC 공진 컨버터에 비해 회로 구조를 수정하여 복수의 제어 모드로 동작(운전)할 수 있어, 효율을 향상시킬 수 있는 LLC 공진 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to an LLC resonant converter, and more particularly, to an LLC resonant converter for an electric vehicle on-board charger, which can operate (drive) in a plurality of control modes by modifying the circuit structure compared to a conventional LLC resonant converter, It relates to an LLC resonant converter capable of improving efficiency.

최신 플러그인 전기 자동차의 경우, 가장 일반적인 전원 수준인 3.3 kW 또는 6.6 kW인 2단계 2차 온보드 배터리 충전기가 요구되고 있다.For modern plug-in electric vehicles, a two-stage secondary on-board battery charger with the most common power levels of 3.3 kW or 6.6 kW is required.

충전기의 주요 구조는 EMI 필터, 역률 보정 기능이 있는 부스트 컨버터 및 절연된 DC-DC 컨버터로 구성되게 된다.The main structure of the charger will consist of an EMI filter, a boost converter with power factor correction, and an isolated DC-DC converter.

종래의 LLC(Series-parallel Resonant Converter)는 고효율, 고전력 밀도, 낮은 EMI 및 넓은 전압 범위로 DC-DC 컨버터에 가장 널리 쓰였으며, 펄스 주파수 변조(PFM, Pulse Frequency Modulation)는 일반적으로 LLC 컨버터에서 출력 전력을 조정하는데 사용되었다.The conventional series-parallel resonant converter (LLC) has been most widely used in DC-DC converters due to its high efficiency, high power density, low EMI and wide voltage range, and Pulse Frequency Modulation (PFM) is generally the output from LLC converters. used to adjust the power.

이 경우, 낮은 순환 전류 및 소프트 스위칭으로 인해, 공진 주파수(fr)에서 높은 효율이 얻어지지만, 스위칭 주파수가 공진 주파수에서 멀어질 경우, 성능이 저하되는 단점이 있다.In this case, high efficiency is obtained at the resonant frequency fr due to the low circulating current and soft switching, but there is a disadvantage in that the performance deteriorates when the switching frequency is farther from the resonant frequency.

그렇기 때문에, 넓은 전압 범위에 적용하기 위해서는, 레귤레이션 범위의 확장을 위해, 큰 공진 인덕터(Lr)가 요구되었으나, 공진 인덕터로 인해 높은 플럭스(flux), 높은 피크 전압 및 높은 턴 오프 전류를 발생시키게 된다.Therefore, in order to apply to a wide voltage range, a large resonant inductor Lr is required for the expansion of the regulation range, but due to the resonant inductor, high flux, high peak voltage, and high turn-off current are generated. .

이에 따라, LLC 컨버터의 출력 전압 범위를 확장시키기 위하여, 종래에는 공진 LC 회로에 인덕터와 병렬로 다수의 커패시터를 추가하여 구성함으로써, 출력 전압을 광범위하게 조정할 수 있으나, 출력 전압이 주파수에 매우 민감하기 때문에, 출력 전압이 낮을 때는 조정이 어려운 문제점이 있다.Accordingly, in order to extend the output voltage range of the LLC converter, conventionally, the output voltage can be adjusted widely by adding a plurality of capacitors in parallel with the inductor to the resonant LC circuit, but the output voltage is very sensitive to frequency. Therefore, there is a problem in that it is difficult to adjust when the output voltage is low.

특히, 도 1에 도시된 바와 같이, 풀 브릿지 LLC 컨버터를 이용할 경우, 충전할 배터리 전압이 낮은 경우 또는 충전 전류가 낮은 경우, 효율이 낮아지는 문제점이 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 듀얼 위상 LLC 컨버터를 이용할 경우, 풀 브릿지 LLC 컨버터 대비 트랜스포커와 인덕터가 나뉘어 있어, 낮은 높이 형성이 가능하고 방열에 유리한 장점이 있고, 저부하의 경우에는 고효율이나, 낮은 출력전압에 대하여 효율이 낮은 문제점을 그대로 포함하고 있다.In particular, as shown in FIG. 1 , when a full-bridge LLC converter is used, when the battery voltage to be charged is low or when the charging current is low, there is a problem in that efficiency is lowered, and as shown in FIG. 2 , the dual phase When using an LLC converter, compared to a full-bridge LLC converter, the transformer and the inductor are separated, so it is possible to form a low height and advantageous for heat dissipation. included as is.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 LLC 공진 컨버터의 회로 구조를 추가 스위치없이, 간단하게 수정함으로써, 복수의 제어 모드로 운전할 수 있는 LLC 공진 컨버터를 제공하는 것이다.The present invention has been devised to solve the problems of the prior art as described above, and an object of the present invention is to simply modify the circuit structure of the LLC resonant converter without an additional switch, thereby enabling the LLC resonance to operate in a plurality of control modes. converter is provided.

또한, 저전압 및 저부하 조건에서, 높은 효율을 달성할 수 있어, LLC 공진 컨버터의 효율은 높이면서도, 무게와 사이즈는 줄일 수 있는, LLC 공진 컨버터를 제공하는 것이다.In addition, it is possible to achieve high efficiency under low voltage and low load conditions, thereby increasing the efficiency of the LLC resonant converter, while reducing weight and size, to provide an LLC resonant converter.

본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진 컨버터는, LLC 공진 컨버터로서, 직류 전원의 양단과 연결되고, 소정의 스위칭 주파수로 스위칭하여 PWM(Pulse Width Modulation) 전압을 출력하는 전력변환부, 상기 전력변환부의 출력단와 1차측 양단이 연결된 절연부, 상기 절연부의 2차측 양단과 입력단이 연결되고, 출력단은 부하에 연결된 정류부, 상기 절연부의 1차측과 상기 직류 전원 사이에 구비된 제1 공진 필터부 및 상기 전력변환부를 제어하여 상기 부하에 공급하는 전압과 전류 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제1 공진 필터부는 상기 전력변환부의 출력단의 선간 전압이 0인 경우에만, 상기 전력변환부로부터 상기 정류부 및 상기 제1 공진 필터부를 통하는 전류 경로를 형성하고, 상기 전류 경로에 커패시턴스 성분을 나타내어 상기 전력변환부의 스위칭 손실을 저감하도록, 상기 절연부의 1차측 중간단과 상기 직류 전원의 음극단 사이에 구비되되, 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 것이 바람직하다.The LLC resonant converter according to an embodiment of the present invention is an LLC resonant converter, and is connected to both ends of a DC power source and is switched at a predetermined switching frequency to output a PWM (Pulse Width Modulation) voltage, the power conversion unit An insulator in which both ends of the negative output terminal and the primary side are connected, both ends of the secondary side of the insulator are connected to an input terminal, and the output terminal is a rectifier connected to a load, a first resonance filter unit provided between the primary side of the insulator and the DC power supply, and the power and a control unit for controlling at least one of a voltage and a current supplied to the load by controlling the conversion unit, wherein the first resonance filter unit is the rectifying unit from the power conversion unit only when the line voltage of the output terminal of the power conversion unit is 0. and forming a current path through the first resonant filter unit, and presenting a capacitance component in the current path to reduce switching loss of the power conversion unit, provided between the intermediate end of the primary side of the insulating unit and the negative end of the DC power supply, It is preferred to include at least one capacitor.

더 나아가, 상기 절연부는 직렬로 연결된 제1 변압기 및 제2 변압기;를 포함하되, 상기 제1 변압기의 1차측 코일 일단 및 상기 제2 변압기의 1차측 코일 타단은 각각 상기 절연부의 1차측 양단을 형성하고, 상기 제1 변압기의 1차측 코일 타단 및 상기 제2 변압기의 1차측 코일 일단이 연결된 노드가 상기 절연부의 1차측 중간단을 형성하며, 상기 제1 변압기의 2차측 코일 일단 및 상기 제2 변압기의 2차측 코일 타단은 각각 상기 절연부의 2차측 양단을 형성하고, 상기 제1 변압기의 2차측 코일 타단 및 상기 제2 변압기의 2차측 코인 일단이 연결된 노드가 상기 절연부의 2차측 중간단을 형성하는 것이 바람직하다.Furthermore, the insulating portion includes a first transformer and a second transformer connected in series, wherein one end of the primary side coil of the first transformer and the other end of the primary side coil of the second transformer form both ends of the primary side of the insulating unit, respectively. and a node to which the other end of the primary side coil of the first transformer and one end of the primary side coil of the second transformer are connected to form a primary side intermediate end of the insulating part, and the secondary side coil end of the first transformer and the second transformer The other end of the secondary coil forms both ends of the secondary side of the insulator, respectively, and the node to which the other end of the secondary coil of the first transformer and one end of the secondary side coin of the second transformer are connected to form a secondary side middle end of the insulator it is preferable

더 나아가, 상기 제1 변압기는 소정의 제1 누설 인덕턴스를 갖고 상기 제2 변압기는 소정의 제2 누설 인덕턴스를 갖되, 상기 제1 누설 인덕턴스와 제2 누설 인덕턴스의 차이가 소정의 허용 오차 이내이고, 상기 제1 누설 인덕턴스와 제2 누설 인덕턴스의 평균값은 상기 스위칭 주파수 및 제2 공진 필터부의 커패시턴스 값에 기초해서 정해지는 소정의 값인 것이 바람직하다.Further, the first transformer has a predetermined first leakage inductance and the second transformer has a predetermined second leakage inductance, wherein the difference between the first leakage inductance and the second leakage inductance is within a predetermined tolerance; Preferably, the average value of the first leakage inductance and the second leakage inductance is a predetermined value determined based on the switching frequency and a capacitance value of the second resonance filter unit.

더 나아가, 상기 정류부는 상기 절연부의 2차측 양단과 입력이 연결되고, 상기 부하와 출력단이 연결된 풀 브릿지 형태의 복수의 정류소자, 상기 부하의 일단과 절연부의 2차측 중간단 사이에 연결된 제1 정류 커패시터 및 상기 부하의 타단과 절연부의 2차측 중간단 사이에 연결된 제2 정류 커패시터를 포함하는 것이 바람직하다.Furthermore, the rectifier is a first rectifier connected between both ends of the secondary side of the insulating part and the input, and a plurality of rectifying elements in the form of a full bridge in which the load and the output are connected, one end of the load and the middle end of the secondary side of the insulating part It is preferable to include a capacitor and a second rectifying capacitor connected between the other end of the load and the intermediate end of the secondary side of the insulating part.

더 나아가, 상기 전력변환부와 절연부의 1차측 사이에 소정의 인덕턴스를 갖는 제2 공진 필터부를 더 포함하는 것이 바람직하다.Furthermore, it is preferable to further include a second resonance filter unit having a predetermined inductance between the power conversion unit and the primary side of the insulating unit.

더 나아가, 상기 전력변환부는 직렬로 연결된 제1, 2 스위치 및 직렬로 연결된 제3 및 제4 스위치를 포함하고, 상기 제1, 2 스위치의 연결 노드 및 제3, 4 스위치의 연결 노드가 각각 상기 전력변환부의 출력단을 형성하며, 상기 제어부는 상기 제1 내지 제4 스위치를 제어하되, 상기 부하에 인가되는 출력 전압과 출력 전류 정보를 기초로 스위칭 손실을 줄이기 위하여, 복수의 제어 모드로 상기 제1 내지 제4 스위치를 제어하는 것이 바람직하다.Furthermore, the power conversion unit includes first and second switches connected in series and third and fourth switches connected in series, and the connection nodes of the first and second switches and the connection nodes of the third and fourth switches are respectively the Forming an output terminal of a power conversion unit, the control unit controls the first to fourth switches, in order to reduce switching loss based on the output voltage and output current information applied to the load, the first to a plurality of control modes It is preferable to control the to fourth switch.

더 나아가, 상기 제어부는 상기 출력 전압이 소정의 제1 기준 전압에 비해서 작은 경우, 상기 제1 스위치와 제4 스위치를 동시에 온 또는 오프하고, 상기 제2 스위치와 제3 스위치를 동시에 온 또는 오프하며, 상기 출력 전류가 소정의 일정한 값을 갖도록 정전류 제어하는 것이 바람직하다.Furthermore, when the output voltage is smaller than a predetermined first reference voltage, the control unit turns on or off the first switch and the fourth switch at the same time, and turns on or off the second switch and the third switch at the same time , it is preferable to control the constant current so that the output current has a predetermined constant value.

더 나아가, 상기 제어부는 상기 출력 전압이 소정의 제1 기준 전압에 비해서 같거나 크고, 상기 제1 기준 전압보다 큰 소정의 제2 기준 전압에 비해서 작은 경우, 상기 제1 스위치와 제3 스위치를 동시에 온 또는 오프하고, 상기 제2 스위치와 제4 스위치를 동시에 온 또는 오프하며, 상기 출력 전류가 소정의 일정한 값을 갖도록 정전류 제어하는 것이 바람직하다.Furthermore, when the output voltage is equal to or greater than the first reference voltage and smaller than a predetermined second reference voltage greater than the first reference voltage, the control unit operates the first switch and the third switch at the same time It is preferable to turn on or off, turn on or off the second switch and the fourth switch at the same time, and control the constant current so that the output current has a predetermined constant value.

더 나아가, 상기 제어부는 상기 출력 전압이 소정의 제2 기준 전압에 비해서 같거나 크고, 상기 출력 전류가 소정의 제1 기준 전류보다 큰 경우, 상기 제1 스위치와 제3 스위치를 동시에 온 또는 오프하고, 상기 제2 스위치와 제4 스위치를 동시에 온 또는 오프하며, 상기 출력 전압이 소정의 일정한 값을 갖도록 정전압 제어하는 것이 바람직하다.Furthermore, when the output voltage is equal to or greater than the second reference voltage and the output current is greater than the first reference current, the control unit turns on or off the first switch and the third switch at the same time, , it is preferable to simultaneously turn on or off the second switch and the fourth switch, and to control the constant voltage so that the output voltage has a predetermined constant value.

더 나아가, 상기 제어부는 상기 출력 전압이 소정의 제2 기준 전압에 비해서 같거나 크고, 상기 출력 전류가 소정의 제1 기준 전류보다 작은 경우, 상기 제1과 제2 스위치를 교번 또는 상기 제3과 제4 스위치를 교번하여 온 또는 오프하며, 상기 출력 전압이 소정의 일정한 값을 갖도록 정전압 제어하는 것이 바람직하다.Furthermore, when the output voltage is equal to or greater than the second reference voltage and the output current is less than the first reference current, the control unit alternates the first and second switches or the third Preferably, the fourth switch is alternately turned on or off, and constant voltage control is performed so that the output voltage has a predetermined constant value.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 LLC 공진 컨버터는, 커패시터의 위치를 변경하고 공진 인덕터의 구성을 제거하여 회로를 구성함으로써, 출력 전압과 출력 전류의 정보를 기초로 스위칭 손실을 줄이기 위한 복수의 제어 모드로 동작을 제어함으로써, 저전압 및 저부하 조건에서, 높은 효율을 달성할 수 있는 장점이 있다.The LLC resonant converter of the present invention according to the above configuration configures a circuit by changing the position of the capacitor and removing the configuration of the resonant inductor, thereby reducing the switching loss based on the information of the output voltage and the output current. By controlling the operation in the mode, there is an advantage that high efficiency can be achieved under low voltage and low load conditions.

또한, 구성의 간략화를 통해서, 무게와 사이즈는 줄일 수 있는 장점이 있다.In addition, through the simplification of the configuration, there is an advantage that the weight and size can be reduced.

도 1은 종래의 풀 브릿지 LLC 컨버터의 구성을 나타낸 예시도이다.
도 2는 종래의 듀얼 위상 LLC 컨버터의 구성을 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진 컨버터(100)의 구성을 나타낸 예시도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진 컨버터(100)를 이용한 복수의 제어모드에 따라 동작상태를 나타낸 예시도이다.1 is an exemplary diagram showing the configuration of a conventional full-bridge LLC converter.
2 is an exemplary diagram showing the configuration of a conventional dual-phase LLC converter.
3 is an exemplary view showing the configuration of the LLC resonant converter 100 according to an embodiment of the present invention.
4 to 6 are exemplary views showing operating states according to a plurality of control modes using the LLC resonant converter 100 according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 LLC 공진 컨버터를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, an LLC resonant converter of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The drawings introduced below are provided as examples in order to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms. Also, like reference numerals refer to like elements throughout.

이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.At this time, if there is no other definition in the technical terms and scientific terms used, it has the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and in the following description and accompanying drawings, the subject matter of the present invention Descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure will be omitted.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진 컨버터(100)의 구성을 나타낸 예시도로서, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진 컨버터(100)를 상세하게 설명한다.3 is an exemplary diagram illustrating the configuration of the LLC resonant converter 100 according to an embodiment of the present invention, and the LLC resonant converter 100 according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1 .

상기 LLC 공진 컨버터(100)는 직류 전원(Vin)의 양단(p, n)과 연결되고, 소정의 스위칭 주파수(fs)로 스위칭하여 PWM(Pulse Width Modulation) 전압을 출력하는 전력변환부(110)와, 상기 전력변환부(110)의 출력단(a, b)과 1차측 양단(g, h)이 연결되는 절연부(130)와, 상기 절연부(130)의 2차측 양단(j, k)과 입력단(j, k)이 연결되고 출력단(m. o)은 부하에 연결되는 정류부(120)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.The LLC resonant converter 100 is connected to both ends (p, n) of the DC power supply (V in ), and is switched at a predetermined switching frequency (fs) to output a PWM (Pulse Width Modulation) voltage. ), the output terminal (a, b) and the primary side both ends (g, h) of the power conversion unit 110 are connected to the insulating part 130, and the secondary side both ends of the insulating part 130 (j, k) ) and the input terminals (j, k) are connected and the output terminal (m. o) is preferably configured to include a rectifying unit 120 connected to the load.

더불어, 상기 LLC 공진 컨버터(100)는 상기 절연부(130)의 1차측과 상기 직류 전원(Vin) 사이에 구비되는 제1 공진 필터부(140)와 상기 전력변환부(110)를 제어하여 상기 부하에 공급하는 전압과 전류 중 적어도 하나를 제어하는 제어부(미도시)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.In addition, the LLC resonant converter 100 controls the first resonant filter unit 140 and the power conversion unit 110 provided between the primary side of the insulating unit 130 and the DC power supply (V in ). It is preferable to include a controller (not shown) for controlling at least one of a voltage and a current supplied to the load.

이 때, 상기 제1 공진 필터부(140)는 도 3에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 커패시터(Cr)을 포함하여 구성되되, 상기 전력변환부(110)의 출력단의 선간 전압이 '0'인 경우에만, 상기 전력변환부(110)로부터 상기 정류부 및 상기 제1 공진 필터부(140)를 통하는 전류 경로를 형성하고, 상기 전류 경로에 커패시턴스 성분을 나타내어 상기 전력변환부(110)의 스위칭 손실을 저감하도록 상기 절연부(130)의 1차측 중간단(i)과 상기 직류 전원(Vin)의 음극단(n)사이에 구비되는 것이 바람직하다.At this time, as shown in FIG. 3 , the first resonance filter unit 140 includes at least one capacitor (C r ), and the line voltage of the output terminal of the power conversion unit 110 is '0'. Only when ', a current path from the power conversion unit 110 through the rectification unit and the first resonance filter unit 140 is formed, and a capacitance component is expressed in the current path to switch the power conversion unit 110. It is preferable to be provided between the intermediate end (i) of the primary side of the insulating part 130 and the negative end (n) of the DC power supply (V in ) to reduce loss.

또한, 상기 절연부(130)는 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 변압기(131)와 제2 변압기(132)를 포함하여 구성되되, 상기 제1 변압기(131)와 제2 변압기(132)는 직렬로 연결되는 것이 바람직하다.In addition, as shown in FIG. 3 , the insulating part 130 includes a first transformer 131 and a second transformer 132 , the first transformer 131 and the second transformer 132 . are preferably connected in series.

상기 절연부(130)는 상세하게는, 상기 제1 변압기(131)의 1차측 코일 일단과 상기 제2 변압기(132)의 1차측 코일 타단은 각각 상기 절연부(130)의 1차측 양단을 형성하고, 상기 제1 변압기(131)의 1차측 코일 타단과 상기 제2 변압기(132)의 1차측 코일 일단이 연결된 노드가 상기 절연부(130)의 1차측 중간단을 형성하는 것이 바람직하다.In detail, the insulating unit 130 has one end of the primary side coil of the first transformer 131 and the other end of the primary side coil of the second transformer 132 to form both primary side ends of the insulating unit 130 , respectively. and a node to which the other end of the primary side coil of the first transformer 131 and one end of the primary side coil of the second transformer 132 are connected to form an intermediate end of the primary side of the insulating part 130 .

더불어, 상기 제1 변압기(131)의 2차측 코일 일단과 상기 제2 변압기(132)의 2차측 코일 타단은 각각 상기 절연부(130)의 2차측 양단을 형성하고, 상기 제1 변압기(131)의 2차측 코일 타단과 상기 제2 변압기의 2차측 코일 일단이 연결된 노드가 상기 절연부(130)의 2차측 중간단을 형성하는 것이 바람직하다.In addition, one end of the secondary side coil of the first transformer 131 and the other end of the secondary side coil of the second transformer 132 form both ends of the secondary side of the insulating part 130, respectively, and the first transformer 131 It is preferable that a node to which the other end of the secondary side coil of , and one end of the secondary side coil of the second transformer are connected forms an intermediate end of the secondary side of the insulating part 130 .

더불어, 상기 제1 변압기(131)는 소정의 제1 누설 인덕턴스를 갖고, 상기 제2 변압기(132)는 소정의 제2 누설 인덕턴스를 갖는 것이 바람직하며, 상기 제1 누설 인덕턴스와 제2 누설 인덕턴스의 차이가 소정의 허용 오차 이내인 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the first transformer 131 has a predetermined first leakage inductance, and the second transformer 132 has a predetermined second leakage inductance. Preferably, the difference is within a predetermined tolerance.

뿐만 아니라, 상기 제1 누설 인덕턴스와 제2 누설 인덕턴스의 평균값은 상기 스위칭 주파수(fs) 및 상기 제1 공진 필터부(140)의 커패시턴스 값에 기초해서 정해지는 것이 소정의 값인 것이 바람직하다.In addition, the average value of the first leakage inductance and the second leakage inductance is preferably a predetermined value determined based on the switching frequency fs and the capacitance value of the first resonance filter unit 140 .

상기 정류부(120)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 절연부(130)의 2차측 양단과 입력이 연결되고, 상기 부하와 출력단이 연결되는 풀 브릿지 형태의 복수의 정류 소자(121 내지 124)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.As shown in FIG. 3 , the rectifying unit 120 has a plurality of rectifying elements 121 to 124 in the form of a full bridge in which both ends of the secondary side of the insulating unit 130 and the input are connected, and the load and the output end are connected. It is preferably configured to include.

이 때, 상기 정류 소자는 다이오드 또는 전력 반도체인 것이 바람직하다.In this case, the rectifying device is preferably a diode or a power semiconductor.

또한, 상기 정류부(120)는 상기 부하의 일단과 절연부(130)의 2차측 중간단 사이에 연결되는 제1 정류 커패시터(125)와, 상기 부하의 타단과 절연부(130)의 2차측 중간단 사이에 연결되는 제2 정류 커패시터(126)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.In addition, the rectifying unit 120 includes a first rectifying capacitor 125 connected between one end of the load and an intermediate end of the secondary side of the insulating unit 130 , and the middle of the secondary side of the other end of the load and the insulating unit 130 . It is preferable to further include a second rectifying capacitor 126 connected between the terminals.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진 컨버터(100)는 상기 제2 공진 필터부(150)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.In particular, the LLC resonant converter 100 according to an embodiment of the present invention is preferably configured to further include the second resonant filter unit 150 .

상기 제2 공진 필터부(150)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 전력변환부(110)와 절연부(130)의 1차측 사이에 소정의 인덕턴스를 갖는 것이 바람직하다.As shown in FIG. 3 , the second resonance filter unit 150 preferably has a predetermined inductance between the power conversion unit 110 and the primary side of the insulating unit 130 .

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진 컨버터(100)의 구성들을 통해서, 상기 제어부는 모드 제어를 수행하게 되며, 이를 위해, 상기 전력변환부(110)는 도 3에 도시된 바와 같이, 적어도 4개의 반도체 스위치, 즉, 직렬로 연결되는 제1, 2 스위치(111, 112)와 직렬로 연결되는 제3, 4 스위치(113, 114)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.Through the configurations of the LLC resonant converter 100 according to an embodiment of the present invention, the control unit performs mode control, and for this purpose, the power conversion unit 110, as shown in FIG. 3 , at least It is preferable to include four semiconductor switches, that is, the first and second switches 111 and 112 connected in series, and the third and fourth switches 113 and 114 connected in series.

또한, 상기 제1, 2 스위치(111, 112)의 연결 노드 및 상기 제3, 4 스위치(113, 114)의 연결 노드가 각각 상기 전력변환부(110)의 출력단(a, b)을 형성하는 것이 바람직하다.In addition, the connection nodes of the first and second switches 111 and 112 and the connection nodes of the third and fourth switches 113 and 114 form the output terminals a and b of the power conversion unit 110, respectively. it is preferable

상기 제어부는 상술한 바와 같이, 상기 제1 내지 제4 스위치(111 내지 114)의 제어하되, 상기 부하에 인가되는 출력 전압(V0)과 출력 전류(I0) 정보를 기초로 스위칭 손실을 줄이기 위하여, 복수의 제어 모드로 상기 제1 내지 제4 스위치(111 내지 114)를 제어하는 것이 바람직하다.As described above, the control unit controls the first to fourth switches 111 to 114, but reduces the switching loss based on the output voltage (V 0 ) and the output current (I 0 ) applied to the load information. To this end, it is preferable to control the first to fourth switches 111 to 114 in a plurality of control modes.

각각의 복수의 제어 모드에 대해서 자세히 알아보자면,If we take a closer look at each of the multiple control modes,

도 4는 MODE 1에 의한 제어 실시예를 나타낸 예시도이며, 도 4의 a)와 b)는 풀 브릿지 스위칭에 대한 등가회로도이다.Figure 4 is an exemplary view showing a control embodiment by MODE 1, Figure 4 a) and b) is an equivalent circuit diagram for full-bridge switching.

이러한 제어는 주파수 변조(FBFM, Full-Bridge converter with Frequency Modulation) 기능을 갖춘 풀 브릿지 컨버터 모드로서, 상기 제어부는 대각선에 위치하고 있는 스위치들을 동시에 켜고 끄게 된다.This control is a full-bridge converter mode with a frequency modulation (FBFM, Full-Bridge converter with Frequency Modulation) function, and the control unit turns on and off switches located in diagonal lines at the same time.

즉, 상기 제어부는, 상기 부하에 인가되는 출력 전압(V0)이 소정의 제1 기준 전압(V1)에 비해서 작은 경우, 상기 제1 스위치(111)와 제4 스위치(114)를 동시에 온 또는 오프 제어하고, 상기 제2 스위치(112)와 제3 스위치(113)를 동시에 온 또는 오프 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 출력 전류(I0)가 소정의 일정한 값을 갖도록 제어하는 것이 바람직하다.That is, when the output voltage (V 0 ) applied to the load is smaller than the predetermined first reference voltage (V1), the control unit turns on or turns on the first switch 111 and the fourth switch 114 at the same time It is preferable to control off, and simultaneously turn on or off the second switch 112 and the third switch 113 . In addition, it is preferable to control the output current (I 0 ) to have a predetermined constant value.

도 5는 MODE 2에 의한 제어 실시예를 나타낸 예시도이며, 도 5의 a)와 b)는 하프 브릿지 듀얼 스위칭에 대한 등가회로도이다.5 is an exemplary diagram illustrating a control embodiment by MODE 2, and FIGS. 5 a) and b) are equivalent circuit diagrams for half-bridge dual switching.

정전류 모드로 제어시, 상기 제어부는 상기 부하에 인가되는 출력 전압(V0)이 소정의 제1 기준 전압(V1)에 비해서 같거나 크고 상기 제1 기준 전압(V1)보다 큰 소정의 제2 기준 전압(V2)에 비해서 작은 경우, 상기 제1 스위치(111)와 제3 스위치(113)를 동시에 온 또는 오프 제어하고, 상기 제2 스위치(112)와 제4 스위치(114)를 동시에 온 또는 오프 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 출력 전류(I0)가 소정의 일정한 값을 갖도록 정전류 제어하는 것이 바람직하다.When controlling in the constant current mode, the control unit has an output voltage (V 0 ) applied to the load is equal to or greater than a predetermined first reference voltage (V1) and is greater than a predetermined second reference voltage (V1) greater than the first reference voltage (V1) When it is smaller than the voltage V2, the first switch 111 and the third switch 113 are simultaneously turned on or off, and the second switch 112 and the fourth switch 114 are simultaneously turned on or off. It is desirable to control In addition, it is preferable to control the constant current so that the output current (I 0 ) has a predetermined constant value.

정전압 모드로 제어시, 상기 제어부는 상기 부하에 인가되는 출력 전압(V0)이 소정의 제2 기준 전압(V2)에 비해서 같거나 크고, 상기 출력 전류(I0)가 소정의 제1 기준 전류(I1)보다 큰 경우, 상기 제1 스위치(111)와 제3 스위치(113)를 동시에 온 또는 오프 제어하고, 상기 제2 스위치(112)와 제4 스위치(114)를 동시에 온 또는 오프 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 출력 전압(V0)이 소정의 일정한 값을 갖도록 정전압 제어하는 것이 바람직하다.When controlling in the constant voltage mode, the controller determines that the output voltage (V 0 ) applied to the load is equal to or greater than the second predetermined reference voltage (V2), and the output current (I 0 ) is the predetermined first reference current When greater than (I1), the first switch 111 and the third switch 113 are simultaneously controlled on or off, and the second switch 112 and the fourth switch 114 are simultaneously turned on or off. it is preferable In addition, it is preferable to control the constant voltage so that the output voltage (V 0 ) has a predetermined constant value.

마지막으로, 도 6은 MODE 3에 의한 제어 실시예를 나타낸 예시도이며, 도 6의 a)와 b)는 하프 브릿지 싱글 스위칭에 대한 등가회로도이다.Finally, FIG. 6 is an exemplary view showing a control embodiment by MODE 3, and FIGS. 6 a) and b) are equivalent circuit diagrams for half-bridge single switching.

이러한 제어를 위해, 상기 제어부는 상기 부하에 인가되는 출력 전압(V0)이 소정의 제2 기준 전압(V2)에 비해서 같거나 크고, 상기 출력 전류(I0)가 소정의 제1 기준 전류(I1)보다 작은 경우, 상기 제1 스위치(111)와 제2 스위치(112)를 교번 또는, 상기 제3 스위치(113)와 제4 스위치(114)를 교번하여 온 또는 오프 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 출력 전압(V0)이 소정의 일정한 값을 갖도록 제어하는 것이 바람직하다.For this control, the control unit determines that the output voltage (V 0 ) applied to the load is equal to or greater than that of the second predetermined reference voltage (V2), and the output current (I 0 ) is the predetermined first reference current ( When smaller than I1), it is preferable to control on or off by alternating the first switch 111 and the second switch 112 or by alternating the third switch 113 and the fourth switch 114. In addition, it is preferable to control the output voltage (V 0 ) to have a predetermined constant value.

이러한 모드 제어는 부하의 조건(출력 전압 및 전류, 스위칭 주파수 및 효율 등)에 의해 구분되는 것이 바람직하다.It is preferable that such mode control is divided by load conditions (output voltage and current, switching frequency and efficiency, etc.).

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, in the present invention, specific matters such as specific components and the like and limited embodiment drawings have been described, but these are only provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above one embodiment. No, various modifications and variations are possible from these descriptions by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and not only the claims described below, but also all those with equivalent or equivalent modifications to the claims will be said to belong to the scope of the spirit of the present invention. .

100 : LLC 공진 컨버터
110 : 전력 변환부
111 내지 114 : 제1 스위치 내지 제4 스위치
120 : 정류부
121 내지 124 : 정류 소자 125, 126 : 정류 커패시터
130 : 절연부
140 : 제1 공진 필터부 150 : 제2 공진 필터부
151, 152 : 공진 인덕터100: LLC resonant converter
110: power conversion unit
111 to 114: first to fourth switches
120: rectifier
121 to 124: rectifying element 125, 126: rectifying capacitor
130: insulation
140: first resonant filter unit 150: second resonant filter unit
151, 152: resonant inductors

Claims (11)

LLC 공진 컨버터로서,
직류 전원의 양단과 연결되고, 소정의 스위칭 주파수로 스위칭하여 PWM(Pulse Width Modulation) 전압을 출력하는 전력변환부(110);
상기 전력변환부의 출력단과 1차측 양단이 연결된 절연부(130);
상기 절연부의 2차측 양단과 입력단이 연결되고, 출력단은 부하에 연결된 정류부(120);
상기 절연부의 1차측과 상기 직류 전원 사이에 구비된 제1 공진 필터부(140); 및
상기 전력변환부를 제어하여 상기 부하에 공급하는 전압과 전류 중 적어도 하나를 제어하는 제어부;를 포함하며,
상기 제1 공진 필터부(140)는,
상기 전력변환부의 출력단의 선간 전압이 0인 경우에만, 상기 전력변환부로부터 상기 정류부 및 상기 제1 공진 필터부를 통하는 전류 경로를 형성하는 것;
을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
An LLC resonant converter comprising:
a power conversion unit 110 connected to both ends of a DC power supply and outputting a PWM (Pulse Width Modulation) voltage by switching at a predetermined switching frequency;
an insulator 130 connected to both the output terminal and the primary side of the power converter;
a rectifying unit 120 connected to both ends of the secondary side of the insulating unit and an input terminal, and an output terminal connected to a load;
a first resonance filter unit 140 provided between the primary side of the insulating unit and the DC power supply; and
a control unit for controlling at least one of a voltage and a current supplied to the load by controlling the power conversion unit;
The first resonant filter unit 140,
forming a current path from the power conversion unit through the rectifying unit and the first resonance filter unit only when the line voltage of the output terminal of the power conversion unit is 0;
LLC resonant converter, characterized in that.
 제 1항에 있어서,
상기 제1 공진 필터부(140)는,
상기 전류 경로에 커패시턴스 성분을 나타내어 상기 전력변환부의 스위칭 손실을 저감하도록, 상기 절연부의 1차측 중간단과 상기 직류 전원의 음극단 사이에 구비되되, 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 것;
을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
The method of claim 1,
The first resonant filter unit 140,
Doedoe provided between the intermediate end of the primary side of the insulating unit and the negative end of the DC power supply to reduce the switching loss of the power conversion unit by representing a capacitance component in the current path, including at least one capacitor;
LLC resonant converter, characterized in that.
 제 1항에 있어서,
상기 절연부는
직렬로 연결된 제1 변압기 및 제2 변압기;를 포함하되,
상기 제1 변압기의 1차측 코일 일단 및 상기 제2 변압기의 1차측 코일 타단은 각각 상기 절연부의 1차측 양단을 형성하고,
상기 제1 변압기의 1차측 코일 타단 및 상기 제2 변압기의 1차측 코일 일단이 연결된 노드가 상기 절연부의 1차측 중간단을 형성하며,
상기 제1 변압기의 2차측 코일 일단 및 상기 제2 변압기의 2차측 코일 타단은 각각 상기 절연부의 2차측 양단을 형성하고,
상기 제1 변압기의 2차측 코일 타단 및 상기 제2 변압기의 2차측 코인 일단이 연결된 노드가 상기 절연부의 2차측 중간단을 형성하는 것;
을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
The method of claim 1,
the insulator
A first transformer and a second transformer connected in series; including,
One end of the primary side coil of the first transformer and the other end of the primary side coil of the second transformer form both ends of the primary side of the insulating part,
A node to which the other end of the primary side coil of the first transformer and one end of the primary side coil of the second transformer are connected forms an intermediate end of the primary side of the insulating part,
One end of the secondary side coil of the first transformer and the other end of the secondary side coil of the second transformer form both ends of the secondary side of the insulating part,
a node to which the other end of the secondary side coil of the first transformer and one end of the secondary side coin of the second transformer are connected to form an intermediate end of the secondary side of the insulating part;
LLC resonant converter, characterized in that.
 제 3항에 있어서,
상기 제1 변압기는 소정의 제1 누설 인덕턴스를 갖고
상기 제2 변압기는 소정의 제2 누설 인덕턴스를 갖되,
상기 제1 누설 인덕턴스와 제2 누설 인덕턴스의 차이가 소정의 허용 오차 이내이고,
상기 제1 누설 인덕턴스와 제2 누설 인덕턴스의 평균값은 상기 스위칭 주파수 및 제2 공진 필터부의 커패시턴스 값에 기초해서 정해지는 소정의 값인 것;
을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
The method of claim 3,
The first transformer has a predetermined first leakage inductance
The second transformer has a predetermined second leakage inductance,
a difference between the first leakage inductance and the second leakage inductance is within a predetermined tolerance;
an average value of the first leakage inductance and the second leakage inductance is a predetermined value determined based on the switching frequency and a capacitance value of the second resonance filter unit;
LLC resonant converter, characterized in that.
 제 3항에 있어서,
상기 정류부는
상기 절연부의 2차측 양단과 입력이 연결되고, 상기 부하와 출력단이 연결된 풀 브릿지 형태의 복수의 정류소자;
상기 부하의 일단과 절연부의 2차측 중간단 사이에 연결된 제1 정류 커패시터; 및
상기 부하의 타단과 절연부의 2차측 중간단 사이에 연결된 제2 정류 커패시터;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
The method of claim 3,
the rectifying unit
a plurality of rectifying elements in the form of a full bridge connected to both ends of the secondary side of the insulating part and an input, and to which the load and the output terminal are connected;
a first rectifying capacitor connected between one end of the load and an intermediate end of the secondary side of the insulating part; and
a second rectifying capacitor connected between the other end of the load and the intermediate end of the secondary side of the insulating part;
LLC resonant converter comprising a.
 제 1항에 있어서,
상기 전력변환부와 절연부의 1차측 사이에 소정의 인덕턴스를 갖는 제2 공진 필터부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
The method of claim 1,
a second resonance filter unit having a predetermined inductance between the power conversion unit and the primary side of the insulating unit;
LLC resonant converter further comprising a.
 제 1항에 있어서,
상기 전력변환부는
직렬로 연결된 제1, 2 스위치 및 직렬로 연결된 제3 및 제4 스위치를 포함하고,
상기 제1, 2 스위치의 연결 노드 및 제3, 4 스위치의 연결 노드가 각각 상기 전력변환부의 출력단을 형성하며,
상기 제어부는
상기 제1 내지 제4 스위치를 제어하되,
상기 부하에 인가되는 출력 전압과 출력 전류 정보를 기초로 스위칭 손실을 줄이기 위하여, 복수의 제어 모드로 상기 제1 내지 제4 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
The method of claim 1,
The power conversion unit
first and second switches connected in series and third and fourth switches connected in series;
The connection nodes of the first and second switches and the connection nodes of the third and fourth switches form an output terminal of the power conversion unit, respectively,
The control unit
but controlling the first to fourth switches,
The LLC resonant converter according to claim 1, wherein the first to fourth switches are controlled in a plurality of control modes in order to reduce switching loss based on the output voltage and output current information applied to the load.
 제 7항에 있어서,
상기 제어부는
상기 출력 전압이 소정의 제1 기준 전압에 비해서 작은 경우,
상기 제1 스위치와 제4 스위치를 동시에 온 또는 오프하고,
상기 제2 스위치와 제3 스위치를 동시에 온 또는 오프하며,
상기 출력 전류가 소정의 일정한 값을 갖도록 정전류 제어하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
The method of claim 7,
The control unit
When the output voltage is smaller than a predetermined first reference voltage,
Turning on or off the first switch and the fourth switch at the same time,
Turning on or off the second switch and the third switch at the same time,
LLC resonant converter, characterized in that the constant current control so that the output current has a predetermined constant value.
 제 7항에 있어서,
상기 제어부는
상기 출력 전압이 소정의 제1 기준 전압에 비해서 같거나 크고, 상기 제1 기준 전압보다 큰 소정의 제2 기준 전압에 비해서 작은 경우,
상기 제1 스위치와 제3 스위치를 동시에 온 또는 오프하고,
상기 제2 스위치와 제4 스위치를 동시에 온 또는 오프하며,
상기 출력 전류가 소정의 일정한 값을 갖도록 정전류 제어하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
The method of claim 7,
The control unit
When the output voltage is equal to or greater than the first reference voltage and smaller than the second reference voltage greater than the first reference voltage,
Turning on or off the first switch and the third switch at the same time,
Turning on or off the second switch and the fourth switch at the same time,
LLC resonant converter, characterized in that the constant current control so that the output current has a predetermined constant value.
 제 7항에 있어서,
상기 제어부는
상기 출력 전압이 소정의 제2 기준 전압에 비해서 같거나 크고, 상기 출력 전류가 소정의 제1 기준 전류보다 큰 경우,
상기 제1 스위치와 제3 스위치를 동시에 온 또는 오프하고,
상기 제2 스위치와 제4 스위치를 동시에 온 또는 오프하며,
상기 출력 전압이 소정의 일정한 값을 갖도록 정전압 제어하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
The method of claim 7,
The control unit
When the output voltage is equal to or greater than the second reference voltage and the output current is greater than the first reference current,
Turning on or off the first switch and the third switch at the same time,
Turning on or off the second switch and the fourth switch at the same time,
LLC resonant converter, characterized in that the constant voltage control so that the output voltage has a predetermined constant value.
 제 7항에 있어서,
상기 제어부는
상기 출력 전압이 소정의 제2 기준 전압에 비해서 같거나 크고, 상기 출력 전류가 소정의 제1 기준 전류보다 작은 경우,
상기 제1과 제2 스위치를 교번 또는 상기 제3과 제4 스위치를 교번하여 온 또는 오프하며,
상기 출력 전압이 소정의 일정한 값을 갖도록 정전압 제어하는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.The method of claim 7,
The control unit
When the output voltage is equal to or greater than the second reference voltage and the output current is less than the first reference current,
Alternating the first and second switches or alternately turning the third and fourth switches on or off,
LLC resonant converter, characterized in that the constant voltage control so that the output voltage has a predetermined constant value.
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