KR20210127495A - 영 전압 스위칭 회로 및 이를 포함하는 컨버터 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 영 전압 스위칭 회로는 컨버터의 일차측 풀-브릿지 회로를 구성하고, 영 전압 스위칭하는 복수의 스위치를 포함하는 영 전압 스위칭부, 영 전압 스위칭부의 기생 커패시터와 공진하여 영 전압 스위칭을 수행하되, 제어부의 제어에 따라 가변되는 가변 인덕터, 및 영 전압 스위칭부의 입력 전압 또는 가변 인덕터에 흐르는 전류에 따라 가변 인덕터의 인덕턴스를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

영 전압 스위칭 회로 및 이를 포함하는 컨버터{ZVS(Zero Voltage Switching) circuit and Converter comprising thereof}
본 발명은 영 전압 스위칭 회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로 영 전압 인덕터에 흐르는 전류에 따라 인덕터의 인덕턴스를 가변하는 영 전압 스위칭 회로 및 이를 포함하는 컨버터에 관한 발명이다.
차량 등에 적용되는 DC-DC 컨버터(Converter)는 복수의 스위치로 구성되는 풀-브릿지 회로를 포함한다. 이때, 스위칭 손실을 줄이기 위하여 영 전압 스위칭(ZVS, Zero Voltage Switching)을 위한 인덕터를 이용하여 영 전압 스위칭를 이룬다. 영 전압 스위칭을 위한 인덕터는 최대 전력의 약 10 % 수준의 전류에서 영 전압 스위칭이 되도록 인덕턴스 값이 설정된다. 이때, 인덕터의 인덕턴스의 값이 고정되어 있어, 최대전력의 10 % 수준에서는 손실없이 영 전압 스위칭이 이루어지지만, 출력이 증가하는 경우, 손실 전력이 증가하여 효율이 감소하게 되는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 영 전압 인덕터에 흐르는 전류에 따라 인덕터의 인덕턴스를 가변하는 영 전압 스위칭 회로 및 이를 포함하는 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 영 전압 스위칭 회로는 컨버터의 일차측 풀-브릿지 회로를 구성하고, 영 전압 스위칭하는 복수의 스위치를 포함하는 영 전압 스위칭부; 상기 영 전압 스위칭부의 기생 커패시터와 공진하여 상기 영 전압 스위칭을 수행하되, 제어부의 제어에 따라 가변되는 가변 인덕터; 및 상기 영 전압 스위칭부의 입력 전압 또는 상기 가변 인덕터에 흐르는 전류에 따라 상기 가변 인덕터의 인덕턴스를 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 가변 인덕터에 흐르는 전류가 증가하면 상기 가변 인덕터의 인덕턴스를 줄이고, 상기 가변 인덕터에 흐르는 전류가 감소하면 상기 가변 인덕터의 인덕턴스를 늘릴 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 영 전압 스위칭부의 입력 전압이 증가하면 상기 가변 인덕터의 인덕턴스를 늘리고, 상기 영 전압 스위칭부의 입력 전압이 감소하면 상기 가변 인덕터의 인덕턴스를 줄일 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 영 전압 스위칭부의 입력 전류, 상기 가변 인덕터에 흐르는 전류, 또는 상기 컨버터의 2차측 부하에 흐르는 전류를 측정하여 상기 가변 인덕터의 인덕턴스를 제어할 수 있다.
또한, 상기 가변 인덕터는 복수의 인덕터 소자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 인덕터 소자는 서로 다른 인덕턴스를 가지는 두 개 이상의 인덕터 소자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 복수의 인덕터 소자를 개별 제어하여 상기 복수의 인덕터 소자로 구성되는 인덕턴스를 다르게 제어할 수 있다.
또한, 상기 복수의 인덕터 소자의 각 인덕터 소자는, 소정의 인덕턴스를 가지는 제1 인덕터; 상기 제1 인덕터와 커플링되는 제2 인덕터; 및 상기 제2 인덕터와 연결되어 제2 인덕터를 포함하는 폐루프를 온오프하는 스위칭부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 구현하고자 하는 상기 가변 인덕터의 인덕턴스에 따라 상기 복수의 인덕터 소자의 스위칭부 중 일부를 온시킬 수 있다.
또한, 상기 스위칭부는 두 개의 MOSFET을 포함하되, 상기 두 개의 MOSFET은 연결 방향이 서로 반대일 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터는, 변압부; 상기 변압부의 일차측에 연결되어 영 전압 스위칭하는 복수의 스위치로 형성되는 풀-브릿지 회로; 상기 복수의 스위치의 기생 커패시터와 공진하여 상기 영 전압 스위칭을 수행하되, 제어부의 제어에 따라 가변되는 가변 인덕터; 및 상기 풀 브릿지 회로의 입력 전압, 상기 풀 브릿지 회로의 입력 전류, 상기 가변 인덕터에 흐르는 전류, 및 상기 변압부의 이차측에 연결되는 부하에 흐르는 전류 중 적어도 하나에 따라 상기 가변 인덕터의 인덕턴스를 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 출력이 변하더라도 손실없이 영 전압 스위칭이 이루어지도록 할 수 있다.
발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영 전압 스위칭 회로를 도시한 것이다.
도 2는 가변 인덕터를 포함하지 않는 영 전압 스위칭 회로를 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 영 전압 스위칭 회로를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가변 인덕터를 도시한 것이고, 도 5는 구현하고자 하는 인덕턴스에 따른 가변 인덕터의 제어 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발며의 다른 실시예에 따른 가변 인덕터를 도시한 것이다.
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 본 발명의 일 실시예에 따른 영 전압 스위칭 회로를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 영 전압 스위칭 회로(100)는 영 전압 스위칭부(110), 가변 인덕터(120), 및 제어부(130)로 구성된다.
영 전압 스위칭부(110)는 컨버터의 일차측 풀-브릿지 회로를 구성하고, 영 전압 스위칭하는 복수의 스위치를 포함한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 영 전압 스위칭 회로(100)는 컨버터에 적용되는 영 전압 스위칭 회로이다. 컨버터는 일차측에 복수의 스위치로 구성되는 풀-브릿지 회로를 포함하고, 상측 스위치와 하측 스위치의 상보적인 도통에 따라 입력전원을 감압 또는 승압하여 부하로 전달한다. 상측 스위치와 하측 스위치를 상보적으로 도통하기 위하여, 스위칭 동작을 수행할 때, 발생하는 스위칭 손실을 줄이기 위하여 영 전압 스위칭을 이용한다.
영 전압 스위칭을 구현하기 위하여, 도 2와 같이 영 전압 인덕터(Lz, 12)를 이용할 수 있다. 컨버터는 변압기(13)의 1차측에 복수의 스위치로 구성되는 스위칭부(11)를 포함하고, 변압기(13)의 2차측에 부하(14)가 연결된다. 영 전압 스위칭 인덕터(12)는 스위칭부(11)와 변압기(13) 1차측 (+) 단자 사이에 연결되어, 영 전압 스위칭을 수행한다.
구체적으로, 변압기(13) 1차(Primary) 측은 스위칭부(11)를 구성하는 T1, T2, T3, T4의 풀-브릿지(Full-bridge) MOSFET과 영 전압 스위칭(ZVS)를 위한 인덕터(Lz, 12)로 구성된다. 커패시터 C1, C2, C3, C4는 각 MOSFET에 포함되어 있는 기생 커패시터이다. 영 전압 스위칭 인덕터(12)는 각 MOSFET의 기생 커패시터와 공진하여 영 전압 스위칭을 구현한다.
변압기(13)의 2차(Secondary) 측은 T5, T6의 Sychronous rectifier MOSFET과 리플(Ripple) 개선을 위한 인덕터(Lo)와 커패시터(Co)를 포함하며 하프-브릿지(half bridge) 형태의 쌍으로 구성되된다. 저항(RL)은 부하를 의미한다.
컨버터의 입력전압인 VDC는 일반적으로 350V이며, 최대 435V으로 매우 높은 전압을 가진다. T1, T2가 ON 상태이며, T3, T4가 OFF 상태에서 1차 측에서 전류는 위 도 2와 같이 흐른다. T1과 T2의 드레인(Drain)과 소스(Source)단 사이의 전압은 거의 제로(zero)이며, T3과 T4의 드레인과 소스단 사이의 전압은 거의 전원전압과 동일하다.
T1이 턴 오프 되면 Lz는 관성 전류를 가지고 있으므로 C1은 충전되며, C4는 방전하게 되면서 T1의 드레인과 소스단 사이의 전압이 증가하고, T4의 드레인단과 소스단 사이의 전압은 감소하게 되며, 최종적으로는 영 전압이 된다. 이상태에서 T4가 턴 온 되면 드레인과 소스단이 영 전압(Zero Voltage)인 상태이므로 전력손실 없이 스위칭을 할 수 있게 된다.
T1이 오프되는 순간 Lz에 저장되어 있는 에너지가 C1을 충전시키고, C2를 방전시켜야 하므로 Lz의 인덕턴스 값은 아래와 수식과 같이 정해진다.
Figure pat00001
Figure pat00002
일반적으로 Lz 값은 최대 전력의 약 10% 수준의 전류에서 영 전압 스위칭이 되도록 값을 설정한다. 그러면 최대전력의 10 ~ 100%에서 모두 영 전압 스위칭 동작을 이룰수 있기 때문이다. 예를 들어, 최대 전력의 10% 전력의 전류가 6A라고 하면, VDC가 350V, C1=C2=1nF, I=6A로, Lz = 6.8uH이면 된다.
Lz 값이 고정되어 있으므로, 최대전력의 10% 수준에서는 손실없는 정확한 영 전압 스위칭 동작이 이루어지지만, 출력이 증가하는 경우에는 Lz 에 저장되어 있던 에너지가 MOSFET의 기생 커패시터를 충방전 시키기 위한 에너지 보다 많아지게 된다. 이 에너지는 결과적으로 손실이 되기 때문에 출력이 증가할 수록 손실되는 전력이 증가하여 컨버터의 효율은 감소하게 된다.
손실 에너지는 다음과 같이, 산출할 수 있다.
Figure pat00003
예를 들어, Lz = 6.8uH, Imax = 14A, I10% = 6A인 경우, 손실 에너지는 0.544mA2H이고, 손실 전력은 손실 에너지에 스위칭 주파수를 곱하여 산출되는바, 손실 전력은 0.544mA2H x 50kHz = 27.2 W가 된다. 다음 반주기 동안 T2, T4에 대해서도 마찬가지의 전력이 손실되므로, 전체 손실전력은 2배가 되어 54.4W 가 된다.
이러한 전력 손실을 방지하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 영 전압 스위칭 회로(100)는 가변 인덕터(120)를 포함한다.
가변 인덕터(120)는 영 전압 스위칭부(110)의 기생 커패시터와 공진하여 상기 영 전압 스위칭을 수행하되, 제어부(130)의 제어에 따라 가변된다.
보다 구체적으로, 가변 인덕터(120)는 영 전압 스위칭을 수행함에 있어서, 복수의 스위치의 기생 커패시터와 공진하여 영 전압을 수행할 수 있는 인덕턴스 값을 가지도록 제어부(130)의 제어에 따라 인덕턴스가 가변된다. 가변 인덕터(120)를 제어하여 가변 인덕턴스를 구현하는 실시예에 대해서는 이후 자세히 설명하도록 한다.
제어부(130)는 영 전압 스위칭부(110)의 입력 전압 또는 가변 인덕터(120)에 흐르는 전류에 따라 가변 인덕터(120)의 인덕턴스를 제어한다.
보다 구체적으로, 제어부(130)는 영 전압 스위칭부(110)의 입력 전압 또는 가변 인덕터(120)에 흐르는 전류에 따라 스위칭 손실을 방지하도록 가변 인덕터(120)의 인덕턴스를 제어한다. 제어부(130)는 컨트롤러(controller)로 MCU(Micro Control Unit)일 수 있다.
수학식 1에서 C1 및 C2는 미리 알 수 있는 값이고, VDC와 I를 측정하여 알 수 있다. 따라서, 수학식 1로부터 가변 인덕터의 인덕턴스 값을 산출할 수 있고, 산출된 인덕턴스 값 또는 산출된 인덕턴스 값 이상이 되도록 가변 인덕터(120)의 인덕턴스를 제어할 수 있다.
가변 인덕터(120) 및 제어부(130)를 포함하는 영 전압 스위칭 회로는 도 3과 같이 구현될 수 있다. 제어부(130)는 영 전압 스위칭부(110)의 입력 전압을 측정(131)하거나, 가변 인덕터(120)에 흐르는 전류를 직접 측정(133)할 수 있다. 또는, 가변 인덕터(120)에 흐르는 전류를 직접 측정하는 것을 구현하기 어려운 경우, 영 전압 스위칭부의 입력 전류는 가변 인덕터(120)에 흐르는 전류와 비례관계인 것을 이용하여, 영 전압 스위칭부의 입력 전류를 측정(132)함으로써 가변 인덕터(120)에 흐르는 전류를 간접적으로 산출할 수 있다. 또한, 상기 컨버터의 2차측 부하(RL)에 흐르는 전류를 측정(134)하여, 가변 인덕터(120)에 흐르는 전류를 간접적으로 산출할 수 있다. 부하에서 당기는 전류에 의해 1차측 전류가 달라지는 점을 이용하여 부하에 흐르는 전류를 측정함(134)으로써 가변 인덕터(120)에 흐르는 전류를 간접적으로 산출할 수 있다.
제어부는 가변 인덕터(120)에 흐르는 전류, 영 전압 스위칭부의 입력 전류, 또는 부하에 흐르는 전류를 측정하여 가변 인덕터(120)의 인덕턴스를 제어할 수 있다.
제어부(130)는 가변 인덕터(120)에 흐르는 전류가 증가하면 가변 인덕터(120)의 인덕턴스를 줄이고, 가변 인덕터(120)에 흐르는 전류가 감소하면 가변 인덕터(120)의 인덕턴스를 늘릴 수 있다. 가변 인덕터(120)에 흐르는 전류가 증가하면 가변 인덕터(120)와 기생 커패시터간의 공진에 따른 방전이 빠르게 이루어져, 영 전압 스위칭이 이루어진 이후에도 가변 인덕터(120)로 관성 전류가 흐르게 되어 전력 손실이 발생하는바, 이때는 영 전압 스위칭을 위한 방전속도를 줄이기 위하여, 가변 인덕터(120)의 인덕턴스를 줄인다.
이와 반대로, 가변 인덕터(120)에 흐르는 전류가 감소하면, 방전이 느리게 이루어져 영 전압 스위칭이 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 가변 인덕터(120)에 흐르는 전류가 감소하면, 영 전압 스위칭 방전속도를 높이기 위하여, 가변 인덕터(120)의 인덕턴스를 늘린다.
제어부(130)는 영 전압 스위칭부(110)의 입력 전압이 증가하면 가변 인덕터(120)의 인덕턴스를 늘리고, 영 전압 스위칭부(110)의 입력 전압이 감소하면 가변 인덕터(120)의 인덕턴스를 줄일 수 있다. 영 전압 스위칭부(110)에 입력되는 입력 전압에 따라 복수의 스위치의 기생 커패시터에 충방전해야 하는 전하량이 달라지므로, 영 전압 스위칭부(110)에 입력되는 입력 전압이 증가하면, 기생 커패시터에 충방전해야 하는 전하량이 커지는바, 가변 인덕터(120)의 인덕턴스를 늘린다.
이와 반대로, 영 전압 스위칭부(110)에 입력되는 입력 전압이 감소하면, 기생 커패시터에 충방전해야 하는 전하량이 작아지는바, 가변 인덕터(120)의 인덕턴스를 줄인다.
가변 인덕터(120) 복수의 인덕터 소자를 이용하여 구현될 수 있다. 복수의 인덕터 소자는 각각 미리 설정된 인덕턴스를 가지고, 복수의 인덕터 중 일부를 이용함으로써 구현하고자 하는 인덕턴스를 구현할 수 있다. 예를 들어, 1uH 인덕턴스를 가지는 3 개의 인덕터 소자를 포함하는 경우, 3 개의 인덕터 소자 중 하나를 이용하는 경우 1uH, 2 개의 인덕터 소자를 이용하는 경우 2uH, 3 개의 인덕터 소자를 모두 이용하는 경우 3uH로 인덕턴스를 가변할 수 있다.
가변 인덕터(120)는 복수의 인덕터 소자를 상기 복수의 인덕터 소자는 서로 다른 인덕턴스를 가지는 두 개 이상의 인덕터 소자를 포함할 수 있다. 동일한 단위를 가지는 인덕터 소자가 아닌 서로 다른 인덕턴스를 가지는 두 개 이상의 인덕터 소자를 이용함으로써 적은 수의 인덕터로 다양한 인덕턴스를 구현할 수 있다. 제어부(130)는 상기 복수의 인덕터 소자를 개별 제어하여 상기 복수의 인덕터 소자로 구성되는 인덕턴스를 다르게 제어할 수 있다. 예를 들어, Lz1(1uH), Lz2(2uH), Lz3(4uH) 인덕터를 포함하는 경우, 3 개의 인덕터를 이용하여 1 내지 7 uH의 인덕턴스를 구현할 수 있다. Lz1만 이용하는 경우 Lz1 = 1uH과 같이, Lz2 = 2uH, Lz1+Lz2 = 3uH, Lz3 = 4uH, Lz1+Lz3 = 5uH, Lz2+Lz3 = 6uH, Lz1+Lz2+Lz3 = 7uH를 구현할 수 있다. 서로 다른 인덕턴스를 가지는 인덕터의 개수(n)에 따라 최대 2^n-1 개의 인덕턴스를 구현할 수 있다.
복수의 인덕터 소자의 각 인덕터 소자는 소정의 인덕턴스를 가지는 제1 인덕터, 제1 인덕터와 커플링되는 제2 인덕터, 및 제2 인덕터와 연결되어 제2 인덕터를 포함하는 폐루프를 온오프하는 스위칭부를 포함할 수 있다. 스위칭부는 형성되는 형태에 따라 온되면 제2 인덕터의 폐루프를 오픈시키고, 오프되면 제2 인덕터의 폐루프를 형성할 수 있다. 반대로, 스위칭부는 온되면 제2 인덕터의 폐루프를 형성하고, 오프되면 제2 인덕터의 폐루프를 오픈시킬 수 있다.
스위칭부가 온되면 제2 인덕터의 폐루프를 오픈시키는 형태로 구현되는 경우, 스위칭부가 온되면 제2 인덕터의 폐루프가 오픈되고, 제2 인덕터와 제2 인덕터가 커플링되지 않아, 해당 인덕터 소자는 단락되어 인덕턴스를 가지지 않게 된다. 반대로, 스위칭부가 오프되면 제2 인덕터와 제1 인덕터가 커플링되어, 해당 인덕터 소자는 제1 인덕터의 인덕턴스를 가지는 인덕터와 같이 동작한다.
스위칭부는 도 4와 같이, 두 개의 MOSFET을 포함하되, 상기 두 개의 MOSFET은 연결 방향이 서로 반대일 수 있다. MOSFET의 게이트(Gate)인 S1에 로우(Low) 전압을 인가하는 경우, MOSFET M11, M12의 드레인-소스(Drain-Source)간 오픈(open)되어 Lz1은 원래 값인 1uH로 동작한다. 하지만, S1에 하이(high) 전압을 인가하는 경우 MOSFET M11, M12의 드레인-소스간 임피던스가 단락(short)가 되어 Lz1는 인덕턴스 값을 가지지 못하고 쇼트되어 0uH가 된다.
S2, S3에 마찬가지로 로우(low) 전압을 인가하면 Lz2, Lz3의 원래값인 2uH와 4uH를 가지게 하고, 하이(High) 전압을 인가하면 0uH를 가지게 제어할 수 있다.
복수의 제1 인덕터를 이용하되, 커플링되는 제2 인덕터를 통해 스위칭부와 연결되지 않고, 제1 인덕터를 스위칭부와 직접 연결하는 경우, 제1 인덕터에 인가되는 전압이 DC offset 전압을 가지는 AC형태가 되어 S1에 high/low 전압을 인가하더라도 MOSFET을 온-오프 할 수 없다. 따라서 커플링되는 제2 인덕터를 이용하여 MOSFET과 연결되어야 한다. 이경우 MOSFET의 드레인-소스 간 인가되는 전압은 DC offset 전압이 없으므로 MOSFET을 쉽게 온-오프할 수 있다.
제어부(130)는 도 4와 같이 구현되는 가변 인덕터의 각 스위칭부를 제어함으로써 가변 인덕터의 인덕턴스를 가변제어할 수 있다. 제어부(130)는 구현하고자 하는 가변 인덕터(120)의 인덕턴스에 따라 상기 복수의 인덕터 소자의 스위칭부 중 적어도 일부를 온시키도록 제어할 수 있다.
도 4와 같이, 1uH, 2uH, 4uH 인덕터 소자를 이용하는 경우, 도 5와 같이, 각 스위칭부를 제어함으로써 1 내지 7uH까지 1uH 단위로 가변할 수 있다. S1(low), S2(high), S3(high)로 제어하여 가변 인덕터의 인덕턴스를 1uH로 제어할 수 있고, S1(low), S2(low), S3(low)로 제어하여 가변 인덕터의 인덕턴스를 7uH로 제어할 수 있다. 수학식 1로부터 가변 인덕터(120)의 인덕턴스 값을 산출할 수 있고, 가변 인덕터(120)의 인덕턴스가 산출된 인덕턴스 값 또는 산출된 인덕턴스 값 이상이 되도록 각 스위칭부(S1, S2, S3)를 제어할 수 있다.
스위칭부는 두 개의 MOSFET을 포함하거나, 하나의 GaN(Gallium Nitride) FET 또는 다른 스위칭 소자를 이용하여 구현될 수 있다. 또는, 도 6과 같이, 복수의 인덕터 소자(Lz1, Lz2, Lz3), 각 인덕터 소자의 바이패스 경로, 및 바이패스 경로를 선택하는 스위칭 소자(S1, S2, S3)를 포함하여 가변 인덕터를 구현할 수도 있다. 각 인덕터 소자를 연결하거나 바이패스하는 스위칭 소자를 제어함으로써 가변 인덕터의 인덕턴스를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터는 도 1 내지 도 6에서 설명한 영 전압 스위칭 회로를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 구성에 대한 상세한 설명은 영 전압 스위칭 회로(100)에 대한 상세한 설명에 대응되는바, 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터는 변압부(transformer), 상기 변압부의 일차측에 연결되어 영 전압 스위칭하는 복수의 스위치로 형성되는 풀-브릿지 회로, 상기 복수의 스위치의 기생 커패시터와 공진하여 상기 영 전압 스위칭을 수행하되, 제어부의 제어에 따라 가변되는 가변 인덕터, 및 상기 풀 브릿지 회로의 입력 전압, 상기 풀 브릿지 회로의 입력 전류, 상기 가변 인덕터에 흐르는 전류, 및 상기 변압부의 이차측에 연결되는 부하에 흐르는 전류 중 적어도 하나에 따라 상기 가변 인덕터의 인덕턴스를 제어하는 제어부를 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 위치 측정부 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.
100: 영 전압 스위칭 회로
110: 영 전압 스위칭부
120: 가변 인덕터
130: 제어부
140: 부하

Claims (11)

  1. 컨버터의 일차측 풀-브릿지 회로를 구성하고, 영 전압 스위칭하는 복수의 스위치를 포함하는 영 전압 스위칭부;
    상기 영 전압 스위칭부의 기생 커패시터와 공진하여 상기 영 전압 스위칭을 수행하되, 제어부의 제어에 따라 가변되는 가변 인덕터; 및
    상기 영 전압 스위칭부의 입력 전압 또는 상기 가변 인덕터에 흐르는 전류에 따라 상기 가변 인덕터의 인덕턴스를 제어하는 제어부를 포함하는 영 전압 스위칭 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 가변 인덕터에 흐르는 전류가 증가하면 상기 가변 인덕터의 인덕턴스를 줄이고, 상기 가변 인덕터에 흐르는 전류가 감소하면 상기 가변 인덕터의 인덕턴스를 늘리는 영 전압 스위칭 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 영 전압 스위칭부의 입력 전압이 증가하면 상기 가변 인덕터의 인덕턴스를 늘리고, 상기 영 전압 스위칭부의 입력 전압이 감소하면 상기 가변 인덕터의 인덕턴스를 줄이는 영 전압 스위칭 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 영 전압 스위칭부의 입력 전류, 상기 가변 인덕터에 흐르는 전류, 또는 상기 컨버터의 2차측 부하에 흐르는 전류를 측정하여 상기 가변 인덕터의 인덕턴스를 제어하는 영 전압 스위칭 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가변 인덕터는 복수의 인덕터 소자를 포함하는 영 전압 스위칭 회로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 인덕터 소자는,
    서로 다른 인덕턴스를 가지는 두 개 이상의 인덕터 소자를 포함하는 영 전압 스위칭 회로.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 인덕터 소자를 개별 제어하여 상기 복수의 인덕터 소자로 구성되는 인덕턴스를 다르게 제어하는 영 전압 스위칭 회로.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 인덕터 소자의 각 인덕터 소자는,
    소정의 인덕턴스를 가지는 제1 인덕터;
    상기 제1 인덕터와 커플링되는 제2 인덕터; 및
    상기 제2 인덕터와 연결되어 제2 인덕터를 포함하는 폐루프를 온오프하는 스위칭부를 포함하는 영 전압 스위칭 회로.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    구현하고자 하는 상기 가변 인덕터의 인덕턴스에 따라 상기 복수의 인덕터 소자의 스위칭부 중 일부를 온시키는 영 전압 스위칭 회로.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 스위칭부는 두 개의 MOSFET을 포함하되,
    상기 두 개의 MOSFET은 연결 방향이 서로 반대인 영 전압 스위칭 회로.
  11. 변압부;
    상기 변압부의 일차측에 연결되어 영 전압 스위칭하는 복수의 스위치로 형성되는 풀-브릿지 회로;
    상기 복수의 스위치의 기생 커패시터와 공진하여 상기 영 전압 스위칭을 수행하되, 제어부의 제어에 따라 가변되는 가변 인덕터; 및
    상기 풀 브릿지 회로의 입력 전압, 상기 풀 브릿지 회로의 입력 전류, 상기 가변 인덕터에 흐르는 전류, 및 상기 변압부의 이차측에 연결되는 부하에 흐르는 전류 중 적어도 하나에 따라 상기 가변 인덕터의 인덕턴스를 제어하는 제어부를 포함하는 컨버터.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022210189A1 (de) * 2022-09-27 2024-03-28 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Gleichspannungswandler, Elektrofahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001071896A1 (fr) * 2000-03-23 2001-09-27 Tdk Corporation Alimentation a decoupage
JP5598461B2 (ja) * 2011-12-05 2014-10-01 ソニー株式会社 可変インダクタ及びこれを用いた半導体装置
US9787114B2 (en) * 2014-07-11 2017-10-10 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Wireless power transmitter and wireless power transmission system
US9831790B2 (en) * 2014-09-17 2017-11-28 Alps Electric Co., Ltd. DC-to-DC converter
CN104901550B (zh) * 2015-06-10 2018-08-28 三峡大学 一种基于可变电感网络的双全桥dc/dc变换器
KR20180029713A (ko) * 2016-09-13 2018-03-21 주식회사 앤앤씨모터스 전기자동차용 충전제어장치
CN108736726B (zh) * 2017-04-14 2021-03-19 台达电子工业股份有限公司 转换器
CA3089660C (en) * 2018-01-29 2023-05-16 Queen's University At Kingston Resonant power converters and control methods for wide input and output voltage ranges

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