KR20210064958A - Dc-dc 컨버터 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 DC-DC 컨버터는, 제1 직류 전압을 입력받아 3상 전압으로 분리하여 출력하는 스위치부, 상기 스위치부로부터 출력된 상기 3상 전압을 각각 변압하여 3상 출력 전압으로 출력하는 변압부, 및 상기 변압부에서 인가받은 상기 3상 출력 전압 각각을 정류하여 제2 직류 전압을 출력하는 정류부를 포함한다.

Description

DC-DC 컨버터{DC-DC Converter}
본 발명은 DC-DC 컨버터에 관한 것으로, 보다 구체적으로 델타-와이 변압기를 이용한 절연형 DC-DC 컨버터에 관한 발명이다.
전압 컨버터(converter)는 특정 전압을 가지는 전원이 공급되었을 때, 다양한 분야의 장치들에 적합한 전압으로 전압을 변환하여 곧바로 사용할 수 있도록 하는 장치이다. 전압 컨버터는 DC-DC 컨버터, AC-DC 컨버터, DC-AC 컨버터 등이 있다.
DC-DC 컨버터는 입력 전압의 변동에 관계없이 DC 전압을 다른 크기의 DC 전압으로 바꾸는 것으로, 승압(step-up) 또는 감압(step-down)을 수행한다. DC-DC 컨버터가 전압을 변환하는 과정에서 대전류를 출력하는 경우, 부피가 큰 출력 인덕터가 요구된다. 인덕터의 경우, 다른 소자들에 비해 크기가 크기 때문에, 출력 인덕터의 소형화를 위하여 스위치를 고주파수로 구동할 수 있으나, 이 경우, 스위치에서 발생하는 스위칭 손실이 증가하며, 발열량 또는 증가할 수 있다. 스위칭 손실 저감을 위하여, SiC 또는 GaN 등의 스위치를 적용할 수도 있으나, Si MOSFET 대비 비용이 증가하는 단점이 있다. 따라서, 낮은 스위칭 주파수에서 출력 인덕터를 고주파수로 동작시킬 수 있는 컨버터가 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 델타-와이 변압기를 이용한 절연형 DC-DC 컨버터를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터는, 제1 직류 전압을 입력받아 3상 전압으로 분리하여 출력하는 스위치부; 상기 스위치부로부터 출력된 상기 3상 전압을 각각 변압하여 3상 출력 전압으로 출력하는 변압부; 및 상기 변압부에서 인가받은 상기 3상 출력 전압 각각을 정류하여 제2 직류 전압을 출력하는 정류부를 포함한다.
또한, 상기 정류부로부터 출력된 제2 직류 전압을 평활화하는 필터부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 필터부는 하나 이상의 인덕터 및 하나 이상의 커패시터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 정류부는, 상기 변압부의 출력단자 각각과 연결되는 3개의 정류기와 상기 3개의 정류기의 출력 단자가 연결되는 하나의 노드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 각 정류기는, 상기 변압부의 출력측 (+) 단자 각각에 연결될 수 있다.
또한, 상기 각 정류기는, 상기 변압부의 출력측 (-) 단자에 각각에 연결될 수 있다.
또한, 상기 정류부는, 하나 이상의 다이오드 또는 하나 이상의 MOSFET으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 스위치부는 3개의 스위치를 포함하고, 상기 변압부는 상기 3개의 스위치와 각각 연결되는 3개의 입력 단자 및 3개의 출력 단자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 스위치부는, 병렬로 연결되는 제1스위치, 제2스위치 및 제3스위치; 및 상기 제1스위치와 연결되는 제4스위치, 상기 제2스위치와 연결되는 제5스위치, 상기 제3스위치와 연결되는 제6스위치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 스위치부는, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제5 스위치, 상기 제3 스위치 및 상기 제6 스위치가 서로 상보적으로 도통될 수 있다.
또한, 상기 스위치부는, 시비율을 제어함으로써 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제5 스위치, 상기 제3 스위치 및 상기 제6 스위치가 서로 상보적으로 도통될 수 있다.
또한, 상기 스위치부는, 각 스위치의 시비율을 제어하여 상기 변압부에 인가되는 전압폭을 가변할 수 있다.
또한, 상기 스위치부는, 각 스위치의 시비율을 제어하여 상기 DC-DC 컨버터가 출력하는 전류 전압 값을 가변할 수 있다.
또한, 상기 스위치부의 각 스위치는 오프에서 온으로 전환될 때, 소정의 데드 타임(Dead Time)을 가질 수 있다.
또한, 상기 스위치부의 각 스위치는 서로 다른 위상을 가질 수 있다.
또한, 상기 DC-DC 컨버터는 전압형 DC-DC 컨버터일 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 DC-DC 컨버터는, 스위치부; 상기 스위치부와 연결되는 변압부; 및 상기 변압부와 연결되는 정류부를 포함하고, 상기 스위치부는 3개의 스위치를 포함하며, 상기 변압부는 상기 3개의 스위치와 각각 연결되는 3개의 입력 단자와 3개의 출력 단자를 포함하고, 상기 정류부는 상기 변압부의 출력단자 각각과 연결되는 3개의 정류기와 상기 3개의 정류기의 출력 단자가 연결되는 하나의 노드를 포함한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 DC-DC 컨버터는, 병렬로 연결되는 제1스위치, 제2스위치 및 제3스위치; 상기 제1스위치와 연결되는 제4스위치, 상기 제2스위치와 연결되는 제5스위치, 상기 제3스위치와 연결되는 제6스위치; 상기 제1스위치 및 상기 제4스위치와 연결되는 제1입력단자, 상기 제2스위치 및 상기 제5스위치와 연결되는 제2입력단자, 상기 제3스위치 및 상기 제6스위치와 연결되는 제3입력단자를 포함하는 변압부; 상기 변압부와 연결되는 정류부; 및 상기 정류부와 연결되는 필터부를 포함하고, 상기 정류부는 상기 변압부의 출력 단자와 연결되는 3개의 다이오드를 포함하고, 상기 필터부는 상기 3개의 다이오드와 연결되는 하나의 입력 단자를 포함한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 DC-DC 컨버터는, 병렬로 연결되는 제1스위치, 제2스위치 및 제3스위치; 상기 제1스위치와 연결되는 제4스위치, 상기 제2스위치와 연결되는 제5스위치, 상기 제3스위치와 연결되는 제6스위치; 상기 제1스위치 및 상기 제4스위치와 연결되는 제1입력단자, 상기 제2스위치 및 상기 제5스위치와 연결되는 제2입력단자, 상기 제3스위치 및 상기 제6스위치와 연결되는 제3입력단자를 포함하는 변압부; 상기 변압부와 연결되는 정류부; 및 상기 정류부와 연결되는 필터부를 포함하고, 상기 정류부는 상기 변압부의 출력 단자와 연결되는 3개의 MOSFET을 포함하고, 상기 필터부는 상기 3개의 MOSFET과 연결되는 하나의 입력 단자를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 입력 전류를 3개의 스위치로 나누어 흐르도록 함으로써 스위치의 전류 스트레스를 저감할 수 있다. 출력 전류 또한, 3개의 스위치로 나누어 흐르도록 함으로써 정류 스위치의 전류 스트레스를 저감할 수 있다. 이를 통해, 출력 인덕터가 스위칭 주파수 대비 3 배로 동작할 수 있어 낮은 스위칭 주파수에서도 출력 인덕터를 고주파수로 동작시킬 수 있다. 따라서, 출력 인덕터의 크기도 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 PSFB(Phase Shift Full-bridge Converter, 위상 천이 풀 브리지 컨버터)를 도시한 것이다.
도 2는 스위치 병렬 구동되는 PSFB를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 회로도이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 회로도이다.
도 9 내지 도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 구성 및 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 블록도이다.
도 22 및 도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합 또는 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 '연결', '결합', 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위)" 또는 "하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, "상(위)" 또는 "하(아래)"는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라, 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위)" 또는 "하(아래)"로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함될 수 있다.
도 1은 PSFB(Phase Shift Full-bridge Converter, 위상 천이 풀 브리지 컨버터)를 도시한 것이고, 도 2는 스위치 병렬 구동되는 PSFB를 도시한 것이다.
DC-DC 컨터버인 PSFB 컨버터(10)는 도 1과 같이 형성될 수 있다. 입력된 전압은 하프 브릿지를 이용하여 전압 변환을 위한 변압기로 인가되고, 변압기에서 출력된 전압을 정류기 및 필터를 통과하여 변압된 전압이 출력된다. 이때, 출력단에 위치하는 인덕터(11)는 출력전류의 크기에 따라 부피가 큰 출력 인덕터가 요구될 수 있다.
또한, 스위치에 흐르는 전류의 스트레스를 저감하기 위하여, 도 2와 같이, 다수의 스위치를 병렬로 형성(12)하여 구동할 수 있다. 이 경우에 병렬로 사용된 스위치 개수에 따라 스위치 및 스위치 구동회로에서 발생하는 손실이 증가하며, 출력 인덕터 부피를 줄이기 위하여 높은 스위칭 주파수로 컨버터를 구동하는데 어려움으로 작용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터는 3상 변압기를 이용하여 상기와 같은 스위치의 전류 스트레스를 줄일 수 있고, 출력 인덕터의 크기도 줄일 수 있다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(100)의 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(100)는 스위치부(110), 변압부(120), 정류부(130)로 구성되고, 필터부(140)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(100)는 전압형 DC-DC 컨버터일 수 있다. 전압형 DC-DC 컨버터는 전압을 입력받아 변압하여 출력하는 컨버터로, 직류 전압원으로부터 직류 전압을 입력받는다. 이와 다르게 전류형 DC-DC 컨버터는 직류 전류원으로부터 직류 전류를 입력받거나, 전원과 스위치부(110) 사이 인덕터 또는 다른 소자가 위치하여 스위치부(110)로 전류를 입력받을 수 있다. 전류형 DC-DC 컨버터는 다른 소자를 거쳐 입력되기 때문에, 입력되는 전압은 전류 크기에 따라 달라질 수 있어, 전압이 일정하게 입력되는 전압형 DC-DC 컨버터와 동작 특성이나 필요 회로 소자들이 상이한 차이가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(100)는 데이터 센터에 이용될 수 있고, 차량용 LDC와 같이 DC-DC 컨버터가 필요한 다양한 분야에 이용될 수 있다. 데이터 센터용 DC-DC 컨버터는 데이터 센터용 PSU(Power Supply Unit, 전원공급장치)에 이용되어 데이터 센터에 장착되는 다양한 전자 장치들에 적절한 전압을 공급하는 역할을 하며, 절연형으로 제조될 수 있다. 데이터 센터용 DC-DC 컨버터는 보통 규격에 맞춰 제조될 수 있다. 예를 들어, 높이는 4 cm, 가로폭은 7 cm일 수 있고, 세로폭은 요구되는 스펙에 따라 달라질 수 있다. 데이터 센터용 DC-DC 컨버터를 구성하는 소자 중 인덕터가 차지하는 크기가 다른 소자에 비해 크기 때문에, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터를 이용하면 인덕터의 크기를 줄일 수 있어, DC-DC 컨버터 전체의 크기를 줄일 수 있다. 또한, DC-DC 컨버터의 용량을 키우더라도 규격에 맞춰 제조하기 유리하기 때문에, DC-DC 컨버터의 설계 자유도 또한 높일 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(100)의 각 구성을 상세히 설명하도록 한다.
스위치부(110)는 제1 직류 전압을 입력받아 3상 전압으로 분리하여 출력한다.
보다 구체적으로, 스위치부(110)는 제1 직류 전압을 입력받는다, 제1 직류 전압은 전원(200)으로 입력받을 수 있다. 이때, 전원(200)은 배터리 또는 외부 전원일 수 있다. 스위치부(110)는 제1 직류 전압을 입력받아 3상 전압으로 분리하여 출력한다. 도 1과 같이, 입력 전압을 2개로 분리하는 것이 아닌 3개로 분리하여 3상 전압으로 출력할 수 있다. 스위치부(110)는 3개의 스위치를 포함할 수 있다. 3개의 스위치를 통해, 제1 직류 전압을 3상 전압으로 분리할 수 있다. 3개의 스위치는 병렬로 연결되고, 각 스위치의 동작에 따라 제1 직류 전압이 3상 전압으로 분리할 수 있다.
변압부(120)는 상기 스위치부(110)로부터 출력된 상기 3상 전압을 각각 변압하여 3상 출력 전압으로 출력한다.
보다 구체적으로, 변압부(120)는 스위치부(110)로부터 출력된 3상 전압을 각각 변압한다. 변압부(120)는 분리된 3상 전압 각각을 변압비에 따라 변압한다. 변압부(120)는 3상 전압을 감압하거나 승압할 수 있다. 제1 직류 전압이 외부에서 입력되고, 제2 직류 전압이 다른 장치에 제공되는 데이터 센터용인 경우, 변압부(120) 전압에 대한 감압을 수행할 수 있다. 전압을 변압하는 변압비는 요구되는 스펙에 따라 달라질 수 있다.
변압부(120)는 변압기(transformer)로 형성될 수 있다. 변압부(120)는 1차 코일과 2차 코일이 형성되고, 1차 코일과 2차 코일 간에 발생하는 유도 기전력 원리를 이용하여 전압의 크기를 변환할 수 있다. 1차 코일에 전압이 입력되면, 전류의 세기와 방향이 형성되어 1차 코일 주변 자기장이 변하고, 이 자기장의 변화에 따라 자기력선 수(자속)에 변화가 발생하고, 그에 따라 2차 코일에 유도 기전력이 발생한다. 1차 코일과 2차 코일의 전력은 에너지 보존 법칙에 따라 동일하고, 코일에 감은 권선수는 전압과 비례하는바, 권선수에 따라 변압비를 다르게 형성할 수 있다.
변압부(120)는 스위치부(110)가 3개의 스위치를 포함할 때, 스위치부(110)의 3개의 스위치와 각각 연결되는 3개의 입력 단자 및 3개의 출력 단자를 포함할 수 있다. 스위치부(110)는 3개의 스위치의 동작에 따라 3상 전압으로 분리되기 때문에, 3상 전압으로 분리된 각 전압을 입력받는 3개의 입력 단자를 포함할 수 있다. 3개의 입력 단자를 통해 입력된 각각의 전압은 변압되어 3개의 출력 단자를 통해 각각 출력될 수 있다.
여기서, 변압부(120)는 3상 델타-와이 결선 변압기 형태로 구현될 수 있다. 3개의 전압을 입력받아 변압을 수행하여 각 변압된 전압을 출력할 수 있다. 변압부(120)를 델타-와이 결선 변압기 형태로 구현하는 실시예에 대해서 이후에 자세히 설명하도록 한다.
정류부(130)는 상기 변압부(120)에서 인가받은 상기 3상 출력 전압 각각을 정류하여 제2 직류 전압을 출력한다.
보다 구체적으로, 정류부(130)는 변압부(120)에서 각각 변압되어 출력되는 3상 출력 전압을 정류하여 제2 직류 전압을 출력한다. 정류부(130)는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류를 통해 3상 출력 전압을 정류한다. 즉, 시간에 따라 크기와 방향이 주기적으로 바뀌어 흐르는 교류를 시간에 따라 크기와 방향이 변하지 않고 일정하게 흐르는 직류로 변환한다. 정류부(130)는 다이오드 또는 MOSFET 스위치로 구성될 수 있다.
필터부(140)는 상기 정류부(130)로부터 출력된 전압을 평활화하여 직류 전압으로 출력할 수 있다.
보다 구체적으로, 정류부(130)는 각 3상 출력 전압을 정류하여 전압을 출력하되, 스위치부(110)의 동작에 따라 일정하게 유지되는 직류 전압이 아닌 교류 전압의 형태로 출력될 수 있다. 따라서, 일정한 전압의 크기를 유지하는 제2 직류 전압을 출력할 수 있도록 정류부(130)로부터 출력된 전압을 평활하도록 필터부(140)를 포함할 수 있다. 이때, 필터부(140)는 하나 이상의 인덕터 및 하나 이상의 커패시터를 포함할 수 있다. 인덕터는 정류부(130)와 직렬로 연결되고, 커패시터는 정류부(130)와 병렬로 연결될 수 있다. 여기서, 인덕터 및 커패시터는 LC 필터로 동작하여 정류부(130)에서 출력된 전압을 평활화하여 제2 직류 전압을 출력할 수 있다. 이를 통해, 부하(300)에 안정적인 전압을 출력하여 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터는 도 4와 같이 구현될 수 있다.
스위치부(110)는 도 4와 같이, 전원(200)으로부터 제1 직류 전압을 입력받을 수 있다. 스위치부(110)는 6 개의 스위치로 구현되어 제1 직류 전압을 3상 전압을 분리하여 출력할 수 있다. 스위치부(110)는 병렬로 연결되는 제1스위치, 제2스위치 및 제3스위치, 및 상기 제1스위치와 연결되는 제4스위치, 상기 제2스위치와 연결되는 제5스위치, 상기 제3스위치와 연결되는 제6스위치를 포함할 수 있다. 6 개의 스위치 중 제1 스위치, 제2 스위치, 및 제3 스위치는 병렬로 연결되고, 제1 스위치 및 제4 스위치가 연결되며, 제2 스위치 및 제5 스위치가 연결되고, 제3 스위치 및 제6 스위치가 연결되어 제1 직류 전압을 3상 전압으로 분리하여 변압부(120)로 출력한다. 서로 연결되는 2개의 스위치는 하프 브릿지를 형성할 수 있고, 각 하프 브릿지는 3상 전압을 형성하는 각 전압이 변압부(120)에 입력되도록 할 수 있다. 각 스위치의 전압이 제1 직류 전압으로 클램프(clamp)되어 별도의 클램프 회로가 필요하지 않다.
변압부(120)는 도 4와 같이, 3개의 입력단자, 3개의 변압기, 및 3개의 출력단자로 형성되어, 3상의 전압을 각각 입력받아 변압하여 출력한다. 변압부(120)는 3개의 입력단자는 델타(Δ) 결선된다. 즉, 3개의 입력단자는 각 변압기의 입력 및 다른 변압기의 출력이 되도록 연결라인을 연결하여 각 변압기의 1차측 입력이 델타 결선으로 형성되도록 한다. 변압부(120)의 3개의 출력단자는 3개의 입력단자가 델타 결선되는 것과 다르게 와이(Y) 결선된다. 3 개의 출력단자는 각 변압기의 입력 또는 출력에 각각 연결되도록 연결라인을 연결하여 각 변압기의 2차측 출력이 와이 결선으로 형성되록 한다. 따라서, 변압부(120)는 델타(Δ)-와이(Y) 변압기라 할 수 있다.
변압부(120)에서 변압되어 출력단자를 통해 출력된 전압은 정류부(130)에서 정류되는데, 정류부(130)는 상기 변압부(120)의 출력단자 각각과 연결되는 3개의 정류기(131 내지 133)와 상기 3개의 정류기(131 내지 133)의 출력 단자가 연결되는 하나의 노드(134)를 포함할 수 있다. 각 정류기(131 내지 133)는 변압부(120)에서 변압되어 3개의 출력단자 출력되는 3개의 출력 전압을 각각 입력받아 정류할 수 있다. 각 정류기(131 내지 133)에서 정류된 전압은 하나의 노드(134)에서 통합되어 출력된다.
정류부의 노드(134)에서 출력되는 전압은 필터부(140)를 통해 평활화되어 직류 전압으로 출력될 수 있다. 여기서, 필터부(140)는 인덕터(141) 및 커패시터(142)로 구성되는 LC 필터일 수 있다. 필터부(140)를 통해 평활화된 제2 직류 전압은 부하(300)에 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터는 도 5 내지 도 8의 회로의 형태로 다양하게 구현될 수 있다. 도 5 내지 도 8은 예시적으로 도시한 것으로, 이외에 다른 형태의 회로로 구현될 수 있음은 당연하다.
정류부(130)는 3개의 정류기로 구현되되, 도 5 및 도 6과 같이, MOSFET 으로 구현될 수 있고, 또는 도 7 및 도 8과 같이, 다이오드로 구현될 수 있다. 또한, 각 정류기는, 도 5 및 도 7과 같이, 상기 변압부(120)의 출력측 (-) 단자 각각에 연결될 수 있고, 또는 도 6 및 도 8과 같이, 상기 변압부의 출력측 (+) 단자에 각각에 연결될 수도 있다.
도 5는 정류부(130)를 구성하는 정류기를 3개의 MOSFET(151 내지 153)으로 구현하고, 각 MOSFET을 변압부(120)의 출력측 (-) 단자 각각에 연결하는 실시예를 도시한 것이다. 변압부는 3개의 변압기로 구성될 때, 각 변압기는 1차측인 입력측 (+), (-) 단자 및 2차측인 출력측 (+), (-) 단자로 구성된다. 정류기는 출력측에 형성하되, (+) 단자 또는 (-) 단자에 형성할 수 있는데, 정류기로 MOSFET을 이용하는 경우, MOSFET의 구조상 출력측 (-) 단자에 형성하는 경우, 공통 소스로 형성할 수 있기 때문에, MOSFET을 출력측 (-) 단자에 형성하는 것이 구조상 간단하다. 또한, 정류기로 다이오드를 이용하는 경우보다 MOSFET을 이용하는 경우, 손실은 낮고 효율이 높아 유리하기 때문에, 도 5와 같이, 3개의 MOSFET을 각 변압기의 출력측 (-) 단자에 연결하는 것이 바람직할 수 있다. 이와 같이, 정류부(130)가 구현되는 경우 3개의 정류기에서 정류된 전압이 통합되는 노드(154) 또한 (-) 단자측에 형성된다. 따라서, 각 MOSFET의 소스(Source)가 하나의 단자로 통합되는바, 공통소스(Common Source)로 형성된다. 통합된 전압은 필터를 통해 직류 전압으로 출력된다.
도 6은 정류부(130)를 구성하는 정류기를 3개의 MOSFET(161 내지 163)으로 구현하되, 각 MOSFET을 변압부(120)의 출력측 (+) 단자 각각에 연결하는 실시예를 도시한 것이다. 3개의 MOSFET(161 내지 163)은 변압부의 3개의 출력측 (+) 단자에 각각 연결되고, 단자(164)에서 통합되어 전압을 출력한다. 각 MOSFET의 드레인(Drain)이 하나의 단자로 통합되는바, 공통 드레인(Common Drain)으로 형성된다.
도 5 및 도 6과 같이, 정류부(130)를 구성하는 정류기로 MOSFET이 아닌 다이오드를 이용할 수 있다. 먼저, 도 7과 같이, 정류부(130)를 구성하는 정류기를 3개의 다이오드(171 내지 173)로 구현하되, 각 다이오드를 변압부(120)의 출력측 (-) 단자 각각에 연결할 수 있다. 이때, 각 다이오드의 애노드(Anode)가 하나의 단자로 통합되는바, 공통 애노드(Common Anode)로 형성된다.
또는, 도 8과 같이, 정류부(130)를 구성하는 정류기를 3개의 다이오드(181 내지 183)로 구현하되, 각 다이오드를 변압부(120)의 출력측 (+) 단자 각각에 연결할 수 있다. 이때, 각 다이오드의 캐소드(Cathode)가 하나의 단자로 통합되는바, 공통 캐소드(Common Cathode)로 형성된다.
스위치부(110)는 6 개의 스위치로 구현되되, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제5 스위치, 상기 제3 스위치 및 상기 제6 스위치가 서로 상보적으로 도통될 수 있다. 도 9와 같이, 6 개의 스위치(111 내지 116)로 스위치부(110)를 구성하는 경우, 제1 스위치(111) 및 제4 스위치(114)는 서로 연결되어 하나의 하프 브릿지 회로를 구성할 수 있고, 제2 스위치(112) 및 제5 스위치, 제3 스위치(113) 및 제6 스위치도 각각 하프 브릿지 회로를 구성할 수 있다. 3개의 하프 브릿지 회로를 이용하는 전체 회로는 풀 브릿지 회로로 표현할 수 있다. 이때, 제1 스위치(111), 제2 스위치(112), 및 제3 스위치(113)는 각 하프 브릿지 회로상 하이 측(High-side) 스위치이고, 제4 스위치(114), 제5 스위치(115), 및 제6 스위치(116)는 로우 측(Low-side) 스위치로 동작할 수 있다.
스위치부(110)는 시비율을 제어함으로써 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제5 스위치, 상기 제3 스위치 및 상기 제6 스위치가 서로 상보적(complementary)으로 도통될 수 있다. 하나의 하프 브릿지 회로를 구성하는 하이 측 스위치 및 로우 측 스위치는 쌍을 이루어 도 10과 같이, 서로 상보적으로 도통될 수 있다. 이때, 각 스위치의 시비율을 제어하여 서로 상보적으로 도통될 수 있다. 여기서, 시비율은 전류가 흐르지 않는 시간에 대한 전류가 흐르는 시간의 비로, 스위치의 경우, 온시키는 비율을 의미하며, 시비율은 듀티 비(Duty ratio) 또는 듀티 사이클(duty cycle)이라고도 한다. 즉, 하이 측 스위치를 온 시킬 때, 로우 측 스위치는 오프 시키고, 하이 측 스위치를 오프 시킬 때, 로우 측 스위치는 온 시키도록 각 스위치의 시비율을 제어할 수 있다. 스위치가 온 된 후, 오프되었다가 다시 온 되는 시점까지 하나의 스위칭 주기로 볼 수 있다.
스위치부(110)의 각 스위치는 서로 다른 위상을 가질 수 있다. 하프 브릿지 회로를 구성하도록 쌍을 이루는 두 개의 스위치가 상보적으로 도통됨과 동시에, 서로 연결되어 하나의 쌍을 이루는 스위치들은 다른 쌍을 이루는 스위치들과 서로 다른 위상(Phase 1, Phase 2, Phase 3)을 가질 수 있다. 도 11과 같이, 서로 다른 위상을 갖는 각 스위치 쌍은 서로 120 도의 위상차를 가질 수 있고, 이를 통해 제1 직류 전압을 3상 전압으로 분리하여 출력할 수 있다.
스위치부(110)는 각 스위치의 시비율을 제어하여 상기 변압부에 인가되는 전압폭을 가변할 수 있다. 스위치부(110)에서 3상 전압으로 분리되어 변압부를 형성하는 각 변압기에 인가되는 인가전압은 입력 단자간 전압과 같다. 즉, 변압기 1차측에 인가되는 인가전압은 도 9와 같이, 117, 118, 및 119로 표현될 수 있다. 각 변압기에 인가되어 변압된 후 출력되는 변압기 2차측 전압은 도 12와 같이, 811, 812, 813으로 표현될 수 있다. 정류부의 노드에서 통합되는 전압은 820과 같고, 필터부를 통해 평활화된 제2 직류 전압은 830과 같다.
각 스위치의 시비율을 제어하는 경우, 변압기 1차 측에 인가되는 전압폭을 가변할 수 있다. 또한, 스위치부(110)는 각 스위치의 시비율을 제어하여 상기 DC-DC 컨버터가 출력하는 전류 전압 값을 가변할 수 있다. 쌍을 이루는 스위치 중 하이 측 스위치가 온 되는 시비율을 도 13과 같이, 제어하는 경우, 변압기(Transformer) 1 내지 3의 1차측에 인가되는 전압은 711 내지 713과 같은 전압 파형을 나타낸다. 이와 같이, 1차측에 전압이 인가되어 각 변압기에서 변압되어 3개의 출력 단자에서 각각 출력되는 2차측 전압은 도 14의 811 내지 813과 같은 전압 파형을 가진다. 변압부(120)의 3개의 출력 단자에 연결된 정류기를 통해 정류된 전압(Rectified Voltage)인 전압은 도 14의 820과 같고, LC 필터를 통과한 필터링된 전압(Filtered Voltage)인 제2 직류 전압은 도 14의 830과 같다.
도 13과 달리 시비율을 도 15와 같이, 다르게 제어하는 경우, 변압기 1차측에 인가되는 전압은 도 15의 711 내지 713과 같은 전압 파형을 가진다. 도 13의 1차측 인가전압과 달리 일정 크기의 전압을 가지는 구간이 크다는 것을 알 수 있다. 그에 따라 각 변압기에서 변압되어 3개의 출력 단자에서 각각 출력되는 2차측 전압은 도 15의 811 내지 813과 같은 파형을 가지고, 정류된 전압은 도 15의 820과 같고, 필터링된 제2 직류 전압은 도 15의 830과 같다. 도 15의 필터링된 제2 직류 전압은 도 13의 필터링된 제2 직류 전압보다 크다는 것을 알 수 있다.
상기 스위치부(110)의 각 스위치는 오프에서 온으로 전환될 때, 소정의 데드 타임(Dead Time)을 가질 수 있다. 한 쌍의 스위치를 상보적으로 도통시킬 때, 하나의 스위치가 오프에서 온으로 전환할 때, 다른 스위치는 온에서 오프로 전환된다. 스위치가 온에서 오프로 전환될 때, 전압 값이 급격히 변동하게 되어 스위칭 손실이 크게 발생할 수 있고, 온에 해당하는 소정의 전압에서 바로 0 V로 전압이 변화되지 않고, 소정의 기간이 경과해야 전압이 0 V가 될 수 있다. 특히, MOSFET을 스위치로 이용하는 경우, 스위치 게이트 전압을 이용하여 스위치를 온 오프하게 되는데, 스위치의 게이트 전압을 끊더라도, 드레인-소스간 발생했던 전압이 0 V가 되는데 소정의 시간이 소요된다. 이와 같이, 잔여 전압이 존재하는 경우, 스위칭 손실이 발생할 수 있고, 스위칭 오차도 발생하여, 전압을 변압하는 효율성 내지 정확성이 떨어질 수 있다. 이러한 오차를 줄이기 위하여, 도 17과 같이, 오프에서 온으로 스위치를 제어할 때, 쌍을 이루는 다른 스위치에 걸리는 전압이 0 V가 될 때까지 소정 시간의 간격을 적용할 수 있다. 즉, 소정의 시간 동안 상보적으로 도통하는 두 스위치를 모두 오프인 상태를 두는 데드 타임(Dead Time)을 적용한다. 이러한 데드 동안 ZVS(Zero-Voltage Switching, 영전압 스위칭)을 수행한다. 영전압 스위칭을 데드 타임 동안 수행함으로써 스위칭 손실을 줄일 수 있고, 스위칭의 정확성을 높일 수 있다.
도 1의 DC-DC 컨버터(10)의 경우, 입력 전류가 도 18 (A)와 같이 2개의 스위치로 나뉘어 흐르지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(100)의 입력 전류는 도 18 (B)와 같이 3개의 스위치로 나뉘어 흐르기 때문에, 각 스위치의 전류 스트레스를 저감할 수 있다. 따라서, 도 1의 DC-DC 컨버터(10)에 사용되는 스위치보다 낮은 용량이나 스펙을 가지는 스위치를 이용할 수 있다.
출력 전류 또한, 도 1의 DC-DC 컨버터(10)의 경우, 출력 전류가 도 19 (A)와 같이 2개의 정류기로 나뉘어 흐르지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(100)의 출력 전류는 도 19 (B)와 같이 3개의 정류기로 나뉘어 흐르기 때문에, 각 정류기의 전류 스트레스를 저감할 수 있다.
도 1의 DC-DC 컨버터(10)의 경우, 출력측에 연결되는 출력 인덕터는 스위칭 주파수 대비 2 배로 동작하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(100)는 도 20과 같이, 스위칭 주파수(fsw) 대비 3 배(fIO = 3 x fsw)로 동작할 수 있다. 따라서, 도 1의 DC-DC 컨버터(10) 대비 낮은 스위칭 주파수에서도 인덕터를 고주파수로 동작시킬 수 있다. 따라서, 출력 인덕터의 크기를 줄일 수 있다.
도 21 내지 도 23은 본 발명의 다른 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 블록도이다. 도 21은 복수의 정류부를 포함하는 DC-DC 컨버터(2100)의 블록도이고, 도 22는 복수의 스위치 및 복수의 다이오드를 포함하는 DC-DC 컨버터(2200)의 블록도이고, 도 23은 복수의 스위치 및 복수의 MOSFET을 포함하는 디컨터버(2300)의 블로도이다. DC-DC 컨버터(2100), DC-DC 컨버터(2200), 또는 DC-DC 컨버터(2200)에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 20을 참조하여 설명한 DC-DC 컨버터(100)의 상세한 설명에 대응되는 바, 앞서 설명한 DC-DC 컨버터(100)와 상이한 구성 이외에 중복된 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(2100)는 도 21과 같이, 스위치부(2110), 상기 스위치부(2110)와 연결되는 변압부(2120), 및 상기 변압부(2120)와 연결되는 정류부(2131 내지 2133)를 포함한다. 상기 스위치부(2110)는 3개의 스위치를 포함하며, 상기 변압부(2120)는 상기 3개의 스위치와 각각 연결되는 3개의 입력 단자와 3개의 출력 단자를 포함하고, 상기 정류부는 상기 변압부(2120)의 출력단자 각각과 연결되는 3개의 정류기(2131 내지 2133)와 상기 3개의 정류기의 출력 단자가 연결되는 하나의 노드(2134)를 포함한다. 필터부(2140)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(2200)는 도 22와 같이, 병렬로 연결되는 제1스위치(2211), 제2스위치(2212) 및 제3스위치(2213), 상기 제1스위치(2211)와 연결되는 제4스위치(2214), 상기 제2스위치(2212)와 연결되는 제5스위치(2215), 상기 제3스위치(2213)와 연결되는 제6스위치(2216), 상기 제1스위치(2211) 및 상기 제4스위치(2214)와 연결되는 제1입력단자(2221), 상기 제2스위치(2212) 및 상기 제5스위치(2215)와 연결되는 제2입력단자(2222), 상기 제3스위치(2213) 및 상기 제6스위치(2216)와 연결되는 제3입력단자(2223)를 포함하는 변압부(2220), 상기 변압부(2220)와 연결되는 정류부(2230), 및 상기 정류부(2230)와 연결되는 필터부(2240)를 포함하고, 상기 정류부(2230)는 상기 변압부(2220)의 출력 단자와 연결되는 3개의 다이오드(2231 내지 2233)를 포함하고, 상기 필터부(2240)는 상기 3개의 다이오드와 연결되는 하나의 입력 단자(2234)를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(2300)는 도 23와 같이, 병렬로 연결되는 제1스위치(2311), 제2스위치(2312) 및 제3스위치(2313), 상기 제1스위치(2311)와 연결되는 제4스위치(2314), 상기 제2스위치(2312)와 연결되는 제5스위치(2315), 상기 제3스위치(2313)와 연결되는 제6스위치(2316), 상기 제1스위치(2311) 및 상기 제4스위치(2314)와 연결되는 제1입력단자(2321), 상기 제2스위치(2312) 및 상기 제5스위치(2315)와 연결되는 제2입력단자(2322), 상기 제3스위치(2313) 및 상기 제6스위치(2316)와 연결되는 제3입력단자(2323)를 포함하는 변압부(2320), 상기 변압부(2320)와 연결되는 정류부(2330), 및 상기 정류부(2330)와 연결되는 필터부(2340)를 포함하고, 상기 정류부(2330)는 상기 변압부(2320)의 출력 단자와 연결되는 3개의 MOSFET(2331 내지 2333)를 포함하고, 상기 필터부(2340)는 상기 3개의 다이오드와 연결되는 하나의 입력 단자(2334)를 포함한다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10, 100, 2100, 2200, 2300: DC-DC 컨버터
11: 인덕터
110, 2110: 스위치부
111 내지 116, 2211 내지 2216, 2311 내지 2316: 스위치
120, 2120, 2220, 2320: 변압부
130, 2131 내지 2133, 2230, 2330: 정류부
140, 2140, 2240, 2340: 필터부
200: 전원
2231 내지 2233: 다이오드
2331 내지 2333: MOSFET
300: 부하

Claims (19)

  1. 제1 직류 전압을 입력받아 3상 전압으로 분리하여 출력하는 스위치부;
    상기 스위치부로부터 출력된 상기 3상 전압을 각각 변압하여 3상 출력 전압으로 출력하는 변압부; 및
    상기 변압부에서 인가받은 상기 3상 출력 전압 각각을 정류하여 제2 직류 전압을 출력하는 정류부를 포함하는 DC-DC 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정류부로부터 출력된 제2 직류 전압을 평활화하는 필터부를 더 포함하는 DC-DC 컨버터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 필터부는 하나 이상의 인덕터 및 하나 이상의 커패시터를 포함하는 DC-DC 컨버터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 정류부는,
    상기 변압부의 출력단자 각각과 연결되는 3개의 정류기와 상기 3개의 정류기의 출력 단자가 연결되는 하나의 노드를 포함하는 DC-DC 컨버터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 각 정류기는,
    상기 변압부의 출력측 (+) 단자 각각에 연결되는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 각 정류기는,
    상기 변압부의 출력측 (-) 단자에 각각에 연결되는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 정류부는,
    하나 이상의 다이오드 또는 하나 이상의 MOSFET으로 구성되는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스위치부는 3개의 스위치를 포함하고,
    상기 변압부는 상기 3개의 스위치와 각각 연결되는 3개의 입력 단자 및 3개의 출력 단자를 포함하는 DC-DC 컨버터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    병렬로 연결되는 제1스위치, 제2스위치 및 제3스위치; 및
    상기 제1스위치와 연결되는 제4스위치, 상기 제2스위치와 연결되는 제5스위치, 상기 제3스위치와 연결되는 제6스위치를 포함하는 DC-DC 컨버터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제5 스위치, 상기 제3 스위치 및 상기 제6 스위치가 서로 상보적으로 도통되는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    시비율을 제어함으로써 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제5 스위치, 상기 제3 스위치 및 상기 제6 스위치가 서로 상보적으로 도통되는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    각 스위치의 시비율을 제어하여 상기 변압부에 인가되는 전압폭을 가변하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    각 스위치의 시비율을 제어하여 상기 DC-DC 컨버터가 출력하는 전류 전압 값을 가변하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 스위치부의 각 스위치는 오프에서 온으로 전환될 때, 소정의 데드 타임(Dead Time)을 가지는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 스위치부의 각 스위치는 서로 다른 위상을 가지는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터는 전압형 DC-DC 컨버터인 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  17. 스위치부;
    상기 스위치부와 연결되는 변압부; 및
    상기 변압부와 연결되는 정류부를 포함하고,
    상기 스위치부는 3개의 스위치를 포함하며,
    상기 변압부는 상기 3개의 스위치와 각각 연결되는 3개의 입력 단자와 3개의 출력 단자를 포함하고,
    상기 정류부는 상기 변압부의 출력단자 각각과 연결되는 3개의 정류기와 상기 3개의 정류기의 출력 단자가 연결되는 하나의 노드를 포함하는 DC-DC 컨버터.
  18. 병렬로 연결되는 제1스위치, 제2스위치 및 제3스위치;
    상기 제1스위치와 연결되는 제4스위치, 상기 제2스위치와 연결되는 제5스위치, 상기 제3스위치와 연결되는 제6스위치;
    상기 제1스위치 및 상기 제4스위치와 연결되는 제1입력단자, 상기 제2스위치 및 상기 제5스위치와 연결되는 제2입력단자, 상기 제3스위치 및 상기 제6스위치와 연결되는 제3입력단자를 포함하는 변압부;
    상기 변압부와 연결되는 정류부; 및
    상기 정류부와 연결되는 필터부를 포함하고,
    상기 정류부는 상기 변압부의 출력 단자와 연결되는 3개의 다이오드를 포함하고,
    상기 필터부는 상기 3개의 다이오드와 연결되는 하나의 입력 단자를 포함하는 DC-DC컨버터.
  19. 병렬로 연결되는 제1스위치, 제2스위치 및 제3스위치;
    상기 제1스위치와 연결되는 제4스위치, 상기 제2스위치와 연결되는 제5스위치, 상기 제3스위치와 연결되는 제6스위치;
    상기 제1스위치 및 상기 제4스위치와 연결되는 제1입력단자, 상기 제2스위치 및 상기 제5스위치와 연결되는 제2입력단자, 상기 제3스위치 및 상기 제6스위치와 연결되는 제3입력단자를 포함하는 변압부;
    상기 변압부와 연결되는 정류부; 및
    상기 정류부와 연결되는 필터부를 포함하고,
    상기 정류부는 상기 변압부의 출력 단자와 연결되는 3개의 MOSFET을 포함하고,
    상기 필터부는 상기 3개의 MOSFET과 연결되는 하나의 입력 단자를 포함하는 DC-DC컨버터.
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