KR20230045408A - LLC High Frequency Resonant Converter For High Efficiency And Long Life Of DC Power Converter - Google Patents

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Abstract

본 발명은 DC 전력변환기의 고효율, 장수명화를 위한 LLC 고주파 공진형 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 권선코일의 권선비에 따라 입력 전압에 대하여 변환된 값의 출력전압을 공급하는 고주파 변압기; 2개의 모스펫 스위칭 소자가 직렬로 연결되되 상기 고주파 변압기의 1차측 권선코일에 접속되며 전원을 인가받는 브릿지 회로부; 상기 고주파 변압기의 1차측 권선코일에 직렬로 연결되되, 상기 브릿지 회로부의 직렬로 연결된 모스펫 스위칭 소자가 연결된 노드와 연결된 공진부를 포함하고, 상기 공진부는 공진커패시터, 자화인덕터가 직렬로 구성되되, 두 소자 사이에는 누설인덕터가 등가회로를 구성하기 위해 연결되어 있는 것으로 가정되며, 상기 자화인덕터는 상기 고주파 변압기의 1차측 권선코일에 병렬로 연결되며, 상기 2차측 출력 필터구조가 커패시터의 전압원 형태임에 따라 출력단 다이오드가 상기 고주파 변압기의 2차측 권선에 연결되어 구성되어, 부하 출력단의 전압 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 LLC 고주파 공진형 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to an LLC high frequency resonant converter for high efficiency and long life of a DC power converter, and more particularly, to a high frequency transformer for supplying an output voltage of a value converted to an input voltage according to a winding ratio of a winding coil; a bridge circuit unit in which two MOSFET switching elements are connected in series and connected to the primary side winding coil of the high frequency transformer and receive power; A resonance part connected in series to the primary winding coil of the high frequency transformer and connected to a node to which a MOSFET switching element connected in series of the bridge circuit part is connected, wherein the resonance part is composed of a resonant capacitor and a magnetizing inductor in series, the two elements It is assumed that a leakage inductor is connected between them to form an equivalent circuit, the magnetizing inductor is connected in parallel to the primary side winding coil of the high frequency transformer, and the secondary side output filter structure is in the form of a voltage source of a capacitor. An LLC high frequency resonant converter characterized in that an output stage diode is connected to the secondary side winding of the high frequency transformer to control a voltage output of a load output stage.

Description

DC 전력변환기의 고효율, 장수명화를 위한 LLC 고주파 공진형 컨버터{LLC High Frequency Resonant Converter For High Efficiency And Long Life Of DC Power Converter}LLC High Frequency Resonant Converter For High Efficiency And Long Life Of DC Power Converter}

본 발명은 DC 전력변환기의 고효율, 장수명화를 위한 LLC 고주파 공진형 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 권선코일의 권선비에 따라 입력 전압에 대하여 변환된 값의 출력전압을 공급하는 고주파 변압기; 2개의 모스펫 스위칭 소자가 직렬로 연결되되 상기 고주파 변압기의 1차측 권선코일에 접속되며 전원을 인가받는 브릿지 회로부; 상기 고주파 변압기의 1차측 권선코일에 직렬로 연결되되, 상기 브릿지 회로부의 직렬로 연결된 모스펫 스위칭 소자가 연결된 노드와 연결된 공진부를 포함하고, 상기 공진부는 공진커패시터, 자화인덕터가 직렬로 구성되되, 두 소자 사이에는 누설인덕터가 등가회로를 구성하기 위해 연결되어 있는 것으로 가정되며, 상기 자화인덕터는 상기 고주파 변압기의 1차측 권선코일에 병렬로 연결되며, 상기 2차측 출력 필터구조가 커패시터의 전압원 형태임에 따라 출력단 다이오드가 상기 고주파 변압기의 2차측 권선에 연결되어 구성되어, 부하 출력단의 전압 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 LLC 고주파 공진형 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to an LLC high frequency resonant converter for high efficiency and long life of a DC power converter, and more particularly, to a high frequency transformer for supplying an output voltage of a value converted to an input voltage according to a winding ratio of a winding coil; a bridge circuit unit in which two MOSFET switching elements are connected in series and connected to the primary side winding coil of the high frequency transformer and receive power; A resonance part connected in series to the primary winding coil of the high frequency transformer and connected to a node to which a MOSFET switching element connected in series of the bridge circuit part is connected, wherein the resonance part is composed of a resonant capacitor and a magnetizing inductor in series, the two elements It is assumed that a leakage inductor is connected between them to form an equivalent circuit, the magnetizing inductor is connected in parallel to the primary side winding coil of the high frequency transformer, and the secondary side output filter structure is in the form of a voltage source of a capacitor. An LLC high frequency resonant converter characterized in that an output stage diode is connected to the secondary side winding of the high frequency transformer to control a voltage output of a load output stage.

DC 고주파 인버터는 연료전지, 태양광발전, LED 가로등 등과 같은 신재생에너지 분야에서 필수적으로 요구되는 전력변환장치의 구성요소로써 전력변환에 따른 고효율화와 장수명화가 요구된다. DC high-frequency inverters are components of power conversion devices that are essential in the field of renewable energy, such as fuel cells, solar power generation, and LED street lights, and high efficiency and long lifespan are required according to power conversion.

특히 전력변환과정에서 고주파 스위칭에 따른 스위칭 손실을 최소화하기 위해서는 무엇보다 회로소자와 스위칭 소자간의 스위칭 시간의 동기화가 중요하지만, 피동소자의 특성상 설계당시의 특성값이 실제회로에서 달라짐에 따라 그 특성이 변하여 스위칭 손실이 증가되는 현상이 빈번히 발생한다. In particular, in order to minimize switching loss due to high-frequency switching in the power conversion process, synchronization of switching time between circuit elements and switching elements is important above all else. A phenomenon in which the switching loss is increased frequently occurs.

전기회로에서 공진현상은 교류전원에서 회로 피동소자의 R,L,C 값이 특정 주파수 대역에서 L과 C에 의한 무효전력 상호 교환에 의해 교류 임피던스가 상쇄되어 선로 임피던스가 급격히 저감하여 최대전력이 전송되는 전력공명 현상을 말한다. Resonance in electric circuits occurs when the R, L, and C values of the circuit's driven elements in an AC power source cancel out the AC impedance by the mutual exchange of reactive power by L and C in a specific frequency band, so that the line impedance is rapidly reduced and maximum power is transmitted. refers to the phenomenon of power resonance.

전력변환 공진회로 선로에서 LLC 공진회로를 통한 스위칭 손실을 최소화는 다양한 방법이 제안되고 있지만, 실효적으로 적용되는 사례가 많지 않다. Various methods have been proposed to minimize switching loss through the LLC resonant circuit in the power conversion resonant circuit line, but there are not many cases that are effectively applied.

본 발명인 DC 전력변환기의 고효율, 장수명화를 위한 LLC 고주파 공진형 컨버터는 다음과 같은 목적을 가진다.The LLC high-frequency resonant converter for high efficiency and long life of the DC power converter of the present invention has the following objectives.

(1) 본 발명의 목적은 스위칭 회로의 피동소자와 부하가 변화거나 설계치와 오차가 발생하는 경우에도 선로 소자의 LLC 공진회로의 스위칭 주파수를 선로 특성에 적합하도록 가변하는 방법을 선택하고, 선로의 인덕터, 커패시터 성분변화에 의해 위상차 변화에 의해 발생되는 공진주파수 임피던스 증가현상에 대비한 Zero Current Switching(ZCS)와 Zero Voltage Switching (ZVS)에 의한 Soft Switching 방식을 스위칭 소자 회로에 반영함으로써 제어하는 LLC 고주파 공진형 컨버터를 제공하고, 기존의 방식에 비하여 효율향상과 소자파손을 최소화하여 수명을 향상시킬 수 있도록 한다. (1) An object of the present invention is to select a method of varying the switching frequency of the LLC resonant circuit of a line element to suit the line characteristics even when the driven element and load of the switching circuit change or a design value and an error occur, and LLC high frequency controlled by applying the Soft Switching method by Zero Current Switching (ZCS) and Zero Voltage Switching (ZVS) to the switching element circuit in preparation for the increase in resonance frequency impedance caused by the phase difference change due to the change in inductor and capacitor components. A resonant converter is provided, and the lifespan can be improved by improving efficiency and minimizing element damage compared to the existing method.

(2) 본 발명의 또다른 목적은 기존 LLC 공진형 컨버터의 효율저감(손실증가)과 스위칭 소자의 스트레스 파손현상을 해결하기 위해, 능동 역률 개선 회로(Active Power Factor Correction) 없이도, 가변하는 AC 입력전압과 선로임피던스 변화에 대응하면서 원하는 입출력 DC 전압이득을 얻을 수 있으며 최소 스위칭 주파수를 가변할 수 있는, LLC 공진형 컨버터의 제어회로를 제공한다. (2) Another object of the present invention is to reduce the efficiency (increase in loss) of the existing LLC resonant converter and to solve the stress damage phenomenon of the switching element, without an active power factor correction circuit (Active Power Factor Correction), a variable AC input Provided is a control circuit of an LLC resonant converter capable of obtaining a desired input/output DC voltage gain while responding to changes in voltage and line impedance and varying a minimum switching frequency.

공진형 컨버터는 영전압 스위칭조건에서 동작이 가능하기 때문에 이상적으로 스위칭 손실을 제거할 수 있으며, 넓은 출력전압 범위가 가능한 특징이 있다. 따라서, 일반적으로 하드 스위칭 컨버터보다 효율이 높아 연료전지, 태양광발전 및 전기자동차의 배터리 충전기에는 LLC 공진형 컨버터의 경우 공진 인덕터 전류, 공진 캐패시터 전압 그리고 자화 인덕터 전류가 고조파 성분을 포함하고 있기때문에 LLC 컨버터의 고유 주파수가 스위칭 주파수의 근방에서 동작 주파수를 결정한다. 따라서 히트싱크(H/S) 및 변압기 소형화가 가능하여 전원장치의 소형화가 가능하다.Since the resonant converter can operate under zero voltage switching conditions, switching loss can be ideally eliminated and a wide output voltage range is possible. Therefore, in general, the efficiency is higher than that of the hard switching converter, and in the case of the LLC resonant converter, the resonant inductor current, the resonant capacitor voltage, and the magnetizing inductor current include harmonic components in fuel cells, photovoltaic power generation, and electric vehicle battery chargers. The natural frequency of the converter determines the operating frequency in the vicinity of the switching frequency. Therefore, it is possible to downsize the heat sink (H/S) and the transformer, so that the power supply device can be downsized.

본 발명인 DC 전력변환기의 고효율, 장수명화를 위한 LLC 고주파 공진형 컨버터는 권선코일의 권선비에 따라 입력 전압에 대하여 변환된 값의 출력전압을 공급하는 고주파 변압기(부호 미부여); 2개의 모스펫 스위칭 소자(Q1, Q2)가 직렬로 연결되되 상기 고주파 변압기의 1차측 권선코일에 접속되며 전원을 인가받는 브릿지 회로부(부호 미부여); 상기 고주파 변압기의 1차측 권선코일에 직렬로 연결되되, 상기 브릿지 회로부의 직렬로 연결된 모스펫 스위칭 소자가 연결된 노드와 연결된 공진부(부호 미부여)를 포함하고, 상기 공진부는 공진커패시터(RC), 자화인덕터(RL)가 직렬로 구성되되, 두 소자 사이에는 누설인덕터(LL)가 등가회로를 구성하기 위해 연결되어 있는 것으로 가정되며, 상기 자화인덕터(RL)는 상기 고주파 변압기의 1차측 권선코일에 병렬로 연결되며, 상기 2차측 출력 필터구조가 커패시터(CO)의 전압원 형태임에 따라 출력단 다이오드(D1, D2, D3, D4)가 상기 고주파 변압기의 2차측 권선에 연결되어 구성되어, 부하 출력단의 전압 출력을 제어한다.An LLC high-frequency resonant converter for high efficiency and long life of a DC power converter according to the present invention includes a high-frequency transformer (unsigned) supplying an output voltage of a value converted to an input voltage according to a winding ratio of a winding coil; a bridge circuit unit in which two MOSFET switching elements (Q1 and Q2) are connected in series and connected to the primary side winding coil of the high frequency transformer and receive power (unsigned); A resonator (unsigned) connected in series to the primary side winding coil of the high frequency transformer and connected to a node to which a MOSFET switching element connected in series of the bridge circuit unit is connected, wherein the resonator unit includes a resonant capacitor (RC), magnetization It is assumed that the inductor RL is configured in series, and the leakage inductor LL is connected between the two elements to form an equivalent circuit, and the magnetizing inductor RL is parallel to the primary winding coil of the high frequency transformer. As the secondary output filter structure is in the form of a voltage source of the capacitor CO, the output diodes D1, D2, D3, and D4 are connected to the secondary winding of the high-frequency transformer, and the voltage at the output terminal of the load is connected to control the output.

상기 브릿지 회로부에 포함된 모스펫 스위칭 소자에 도통시그널을 송출하되, 영전압 (ZVS : Zero Voltage Switching) 스위칭을 하도록 제어하는 제어부(C)를 추가적으로 더 포함하여야 한다.A controller (C) for transmitting a conduction signal to the MOSFET switching element included in the bridge circuit unit and controlling ZVS (Zero Voltage Switching) switching should be additionally included.

상기 브릿지 회로부에 포함된 모스펫 스위칭 소자(Q1, Q2)에 도통시그널은 데드타임을 설정하여 브릿지 회로부의 단락을 방지함이 바람직하다.It is preferable to prevent a short circuit of the bridge circuit by setting a dead time for the conduction signals of the MOSFET switching elements Q1 and Q2 included in the bridge circuit.

본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.The present invention has the following effects.

(1) 본 발명은 스위칭 회로의 피동소자와 부하가 변화거나 설계치와 오차가 발생하는 경우에도 선로 소자의 LLC 공진회로의 스위칭 주파수를 선로 특성에 적합하도록 가변하는 방법을 선택하고, 선로의 인덕터, 커패시터 성분변화에 의해 위상차 변화에 의해 발생되는 공진주파수 임피던스 증가현상에 대비한 Zero Current Switching(ZCS)와 Zero Voltage Switching (ZVS)에 의한 Soft Switching 방식을 스위칭 소자 회로에 반영함으로써 제어하는 LLC 고주파 공진형 컨버터를 제공하고, 기존의 방식에 비하여 효율향상과 소자파손을 최소화하여 수명을 향상시킬 수 있도록 한다. (1) The present invention selects a method of varying the switching frequency of the LLC resonant circuit of the line element to suit the line characteristics even when the driven element and load of the switching circuit change or an error with the design value occurs, and the inductor of the line, LLC high frequency resonance type controlled by applying the Soft Switching method by Zero Current Switching (ZCS) and Zero Voltage Switching (ZVS) to the switching element circuit in preparation for the increase in resonance frequency impedance caused by the phase difference change due to the change in capacitor components. A converter is provided, and the lifespan can be improved by improving efficiency and minimizing device damage compared to the existing method.

(2) 본 발명은 기존 LLC 공진형 컨버터의 효율저감(손실증가)과 스위칭 소자의 스트레스 파손현상을 해결하기 위해, 능동 역률 개선 회로(Active Power Factor Correction) 없이도, 가변하는 AC 입력전압과 선로임피던스 변화에 대응하면서 원하는 입출력 DC 전압이득을 얻을 수 있으며 최소 스위칭 주파수를 가변할 수 있는 LLC 공진형 컨버터의 제어회로를 제공한다. (2) The present invention is a variable AC input voltage and line impedance without an active power factor correction circuit (Active Power Factor Correction) to solve the efficiency reduction (loss increase) of the existing LLC resonant converter and the stress breakdown phenomenon of the switching element Provided is a control circuit of an LLC resonant converter capable of obtaining a desired input/output DC voltage gain while responding to changes and varying a minimum switching frequency.

(3) 본 발명은 영전압 스위칭조건에서 동작이 가능하기 때문에 이상적으로 스위칭 손실을 제거할 수 있으며, 넓은 출력전압 범위가 가능하다. (3) Since the present invention can operate under zero voltage switching conditions, switching loss can be ideally eliminated and a wide output voltage range is possible.

(4) LLC 공진형 컨버터의 경우 공진 인덕터 전류, 공진 캐패시터 전압 그리고 자화 인덕터 전류가 고조파 성분을 포함하고 있기 때문에 LLC 컨버터의 고유 주파수가 스위칭 주파수의 근방에서 동작 주파수를 결정함에 따라 일반적으로 하드 스위칭 컨버터보다 효율이 높으므로 연료전지, 태양광발전 및 전기자동차의 배터리 충전기에는 활용이 가능한바, 히트싱크(H/S) 및 변압기 소형화가 가능하여 전원장치의 소형화가 가능하다.(4) In the case of an LLC resonant converter, since the resonant inductor current, resonant capacitor voltage, and magnetizing inductor current contain harmonic components, the natural frequency of the LLC converter determines the operating frequency in the vicinity of the switching frequency, so it is generally a hard switching converter. Since it is more efficient, it can be used for fuel cells, photovoltaic power generation, and battery chargers for electric vehicles, and it is possible to downsize a heat sink (H/S) and a transformer, so that a power supply device can be downsized.

도 1은 본 발명인 DC 전력변환기의 고효율, 장수명화를 위한 LLC 고주파 공진형 컨버터에 대한 개략적 회로구성을 스키메틱으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 구성으로서 공진부의 공진주파수 변화와 출력전압에 대한 이득비를 나타낸 도면이다.
도 3은 브릿지 회로의 모스펫 소자의 제어부의 도통 시그널과 데드타임에 따른 다이오드, 캐패시터 도통시간 타이밍을 나타낸 도면이다. 1 schematically shows a schematic circuit configuration of an LLC high-frequency resonant converter for high efficiency and long life of a DC power converter according to the present invention.
2 is a diagram showing a change in resonant frequency of a resonator unit and a gain ratio with respect to an output voltage as a configuration of the present invention.
3 is a diagram showing the timing of the conduction time of a diode and a capacitor according to the conduction signal of the controller of the MOSFET element of the bridge circuit and the dead time.

먼저, 본 발명의 구체적인 설명에 들어가기에 앞서, 본 발명에 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.First, prior to entering into the detailed description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the known technology or configuration related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라 질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명에 따른 "DC 전력변환기의 고효율, 장수명화를 위한 LLC 고주파 공진형 컨버터"를 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.In addition, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of the user or operator. It should be made based on the contents throughout this specification describing "LLC high frequency resonant converter for

본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.The terminology used in this specification is only for referring to specific embodiments and is not intended to limit the present invention. As used herein, the singular forms also include the plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite.

본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.As used herein, the meaning of "comprising" specifies particular characteristics, regions, integers, steps, operations, elements, and/or components, and other specific characteristics, regions, integers, steps, operations, elements, components, and/or components. It does not exclude the presence or addition of groups.

본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.All terms including technical terms and scientific terms used in this specification have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. The terms defined in the dictionary are additionally interpreted as having a meaning consistent with the related technical literature and the currently disclosed content, and are not interpreted in an ideal or very formal meaning unless defined.

도 1은 본 발명인 DC 전력변환기의 고효율, 장수명화를 위한 LLC 고주파 공진형 컨버터에 대한 개략적 회로구성을 스키메틱으로 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 구성으로서 공진부의 공진주파수 변화와 출력전압에 대한 이득비를 나타낸 도면이며, 도 3은 브릿지 회로의 모스펫 소자의 제어부의 도통 시그널과 데드타임에 따른 다이오드, 캐패시터 도통시간 타이밍을 나타낸 도면이다.1 schematically shows a schematic circuit configuration of an LLC high frequency resonant converter for high efficiency and long lifespan of a DC power converter according to the present invention, and FIG. Figure 3 is a diagram showing the timing of the diode and capacitor conduction time according to the conduction signal of the controller of the MOSFET element of the bridge circuit and the dead time.

도 1을 참조하면 본 발명인 DC 전력변환기의 고효율, 장수명화를 위한 LLC 고주파 공진형 컨버터는 권선코일의 권선비에 따라 입력 전압에 대하여 변환된 값의 출력전압을 공급하는 고주파 변압기(부호 미부여); 2개의 모스펫 스위칭 소자(Q1, Q2)가 직렬로 연결되되 상기 고주파 변압기의 1차측 권선코일에 접속되며 전원을 인가받는 브릿지 회로부(부호 미부여); 상기 고주파 변압기의 1차측 권선코일에 직렬로 연결되되, 상기 브릿지 회로부의 직렬로 연결된 모스펫 스위칭 소자가 연결된 노드와 연결된 공진부(부호 미부여)를 포함하고, 상기 공진부는 공진커패시터(RC), 자화인덕터(RL)가 직렬로 구성되되, 두 소자 사이에는 누설인덕터(LL)가 등가회로를 구성하기 위해 연결되어 있는 것으로 가정되며, 상기 자화인덕터(RL)는 상기 고주파 변압기의 1차측 권선코일에 병렬로 연결되며, 상기 2차측 출력 필터구조가 커패시터(CO)의 전압원 형태임에 따라 출력단 다이오드(D1, D2, D3, D4)가 상기 고주파 변압기의 2차측 권선에 연결되어 구성되어, 부하 출력단의 전압 출력을 제어한다.Referring to FIG. 1, an LLC high frequency resonant converter for high efficiency and long life of a DC power converter according to the present invention supplies an output voltage of a value converted to an input voltage according to a winding ratio of a winding coil. A high frequency transformer (unsigned); a bridge circuit unit in which two MOSFET switching elements (Q1 and Q2) are connected in series and connected to the primary side winding coil of the high frequency transformer and receive power (unsigned); A resonator (unsigned) connected in series to the primary side winding coil of the high frequency transformer and connected to a node to which a MOSFET switching element connected in series of the bridge circuit unit is connected, wherein the resonator unit includes a resonant capacitor (RC), magnetization It is assumed that the inductor RL is configured in series, and the leakage inductor LL is connected between the two elements to form an equivalent circuit, and the magnetizing inductor RL is parallel to the primary winding coil of the high frequency transformer. As the secondary output filter structure is in the form of a voltage source of the capacitor CO, the output diodes D1, D2, D3, and D4 are connected to the secondary winding of the high-frequency transformer, and the voltage at the output terminal of the load is connected to control the output.

도 1을 참조하면 상기 브릿지 회로부에 포함된 모스펫 스위칭 소자에 도통시그널을 송출하되, 영전압 (ZVS : Zero Voltage Switching) 스위칭을 하도록 제어하는 제어부(C)를 추가적으로 더 포함하여야 한다.Referring to FIG. 1, a control unit (C) for transmitting a conduction signal to the MOSFET switching element included in the bridge circuit unit and controlling ZVS (Zero Voltage Switching) switching should be additionally included.

도 2 및 3을 참조하면 상기 브릿지 회로부에 포함된 모스펫 스위칭 소자(Q1, Q2)에 도통시그널은 데드타임을 설정하여 브릿지 회로부의 단락을 방지함이 바람직하다. Referring to FIGS. 2 and 3 , it is preferable to set a dead time for the conduction signals of the MOSFET switching elements Q1 and Q2 included in the bridge circuit to prevent a short circuit in the bridge circuit.

도 1을 참조하면 상기 브릿지 회로부를 구성하는 모스펫 스위칭 소자들(Q1, Q2)의 하나의 스위칭 주기동안 교차적으로 각각 50%의 듀티비로 동작해야 함은 물론이다.Referring to FIG. 1, it is needless to say that the MOSFET switching elements Q1 and Q2 constituting the bridge circuit must alternately operate at a duty ratio of 50% during one switching period.

또한, 영전압스위칭이 가능하도록 데드 타임이 존재해야 하는데, LLC 공진형 컨버터의 공진부는 누설 인덕터 (LL)과 변압기의 자화인덕터(RL), 그리고 공진 커패시터(RC)로 이루어져 있다. In addition, a dead time must exist to enable zero voltage switching. The resonant part of the LLC resonant converter consists of a leakage inductor (LL), a magnetizing inductor (RL) of a transformer, and a resonant capacitor (RC).

출력전압은 고주파 변압기의 2차측 권선에 연결되어 있는 다이오드로 구성되며, Ro은 출력단의 등가저항인다, Ro에 걸리는 출력 전압(Vo)은 스위칭 주파수(f)를 제어함으로써 조절할 수 있다The output voltage is composed of a diode connected to the secondary winding of the high-frequency transformer, and R o is the equivalent resistance of the output terminal. The output voltage (V o ) across R o can be adjusted by controlling the switching frequency (f).

도 2는 LLC 공진형 컨버터의 서로 다른 부하 상태에서 LLC 공진형 컨버터의 DC 이득 특성을 나타낸 것이며, 서로 다른 작동 주파수와 부하 상태에 따라 3개의 영역으로 나누어지는데, 공진 주파수(fr1)의 오른쪽(파란색 상자)은 ZVS(Zero Voltage Switching) 영역으로 최소 2차 공진주파수(fr2)의 왼쪽(빨간색 상자)은 ZCS(Zero Current Switching) 영역이다. 2 shows the DC gain characteristics of the LLC resonant converter under different load conditions of the LLC resonant converter, and is divided into three regions according to different operating frequencies and load conditions, to the right of the resonant frequency f r1 ( The blue box) is the ZVS (Zero Voltage Switching) region, and the left (red box) of the minimum secondary resonant frequency (f r2 ) is the ZCS (Zero Current Switching) region.

도 2를 참조하면 fr1과 fr2 사이 영역은 임피던스 상태에 따라 ZVS 또는 ZCS 영역일 수 있는바, 자주색 영역은 위상이 늦은 유도성 부하 영역을 나타내고, 분홍색 영역은 위상이 빠른 용량성 부하 영역을 나타낸다. Referring to FIG. 2, the region between f r1 and f r2 may be a ZVS or ZCS region according to the impedance state. The purple region represents an inductive load region with a slow phase, and the pink region represents a capacitive load region with a high phase. indicate

fr1과 fr2 사이의 영역은 부하 상태에 따라 ZVS 또는 ZCS 영역일 수 있다. The area between fr1 and fr2 may be a ZVS or ZCS area depending on the load condition.

변환 주파수(fs<fr2)의 경우 공진 탱크의 입력 임피던스는 용량성 부하를 나타내며 공진회로를 통해 흐르는 전류는 MOSFET에 인가되는 전압의 기본 성분보다 앞선다는 것을 나타낸다.For conversion frequencies (f s < f r2 ), the input impedance of the resonant tank represents the capacitive load and the current flowing through the resonant circuit leads the fundamental component of the voltage applied to the MOSFET.

공진형 회로에서 전압과 도통전류의 스파이크를 최소화하기 위해서는 도통구간 동안 바디 다이오드 접합면에 축적된 전하량이 완전히 제거되어야 하는바, 공진형 회로에 적용되는 전력용 모스펫은 작은 역회복 전하량과 우수한 역회복 dv/dt 내량을 가져야만 하는데, 본 발명에 따른 LLC 공진형 컨버터의 스위칭 제어회로는, LLC 공진형 컨버터의 AC 입력전압에 대응하여 최소 스위칭 주파수를 가변하는 최소 스위칭 주파수 가변회로와 최소 스위칭주파수 가변회로에 의해 제한된 스위칭 주파수에 기초하여, 제1 펄스 신호와 제2 펄스신호를 발생하는 펄스신호 발생부(미도시 및 부호 미부여)를 갖는다. In order to minimize spikes in voltage and conduction current in a resonant circuit, the amount of charge accumulated on the junction of the body diode during the conduction period must be completely removed. The switching control circuit of the LLC resonant converter according to the present invention has a minimum switching frequency variable circuit for varying the minimum switching frequency in response to the AC input voltage of the LLC resonant converter and a variable minimum switching frequency. Based on the switching frequency limited by the circuit, it has a pulse signal generator (not shown and not given a sign) for generating a first pulse signal and a second pulse signal.

또한, 상기 최소 스위칭주파수 가변회로는 LLC 공진형 컨버터의 AC 입력전압에 대응하여 동작하는 스위칭 주파수 조정용 MOSFET을 포함하고, 이 MOSFET의 동작에 따라, 스위칭 커패시터 및 스위칭 저항와 함께 스위칭 주파수 가변회로의 시정수를 가변할 수 있는바, 제1 펄스신호 발생부와 제2 펄스신호 발생부는 서로 번갈아 가며 펄스 신호를 발생하여 도통신호를 모스펫 스위칭소자에 인가한다.In addition, the minimum switching frequency variable circuit includes a switching frequency adjusting MOSFET operating in response to the AC input voltage of the LLC resonant converter, and according to the operation of the MOSFET, the time constant of the switching frequency variable circuit together with the switching capacitor and the switching resistance. can be varied, the first pulse signal generating unit and the second pulse signal generating unit alternately generate pulse signals and apply a conduction signal to the MOSFET switching element.

도 3 (a)를 참조하면 모스펫 스위칭 소자는 영전류(ZCS)에서 Off된다고 가정하게 되면, 모스펫 스위칭 소자가 온 되기 전에 전류는 다른 모스펫 스위칭 소자의 프리휠링 다이오드를 통해 흐르게 되며, 모스펫 스위칭 소자가 도통 되면, 다른 ㅁ모스펫 스위칭 소자의 프리휠링 다이오드의 역회복 스트레스가 커지게 되는데, 이렇게 높은 역회복의 전류 스파이크는 공진 회로를 통해 흐를 수 없으므로 다른 모스펫 스위칭소자를 통해 흐르게 되고, 이 전류 스파이크는 높은 다이오드 dv/dt를 생성하게 됨에 따라 소자 소손을 일으킬 수 있다. Referring to FIG. 3 (a), assuming that the MOSFET switching element is turned off at zero current (ZCS), the current flows through the freewheeling diode of the other MOSFET switching element before the MOSFET switching element is turned on, and the MOSFET switching element When conducting, the reverse recovery stress of the freewheeling diode of the other MOSFET switching element increases. The current spike of such a high reverse recovery cannot flow through the resonant circuit, so it flows through the other MOSFET switching element, and this current spike has a high As diode dv/dt is created, device burnout may occur.

따라서 도 3 (b)를 참조하면 컨버터가 용량성 영역에서 작동하지 않도록 해야 하는바, 즉, fs>fr1 동작의 경우 공진 탱크의 입력 임피던스는 유도 부하임에 따라, 모스펫 스위칭소자는 영전압(ZVS)에서 도통되며, 이때 턴온 변환 손실은 밀러 효과가 없기 때문에 최소화되고 그 입력 용량은 밀러효과에 의해 증가되지 않게 되며, 바디 다이오드의 역회복 전류는 정현파의 일부이며 스위치 전류가 양의 값일 때 스위치 전류의 일부가 됨에 따라 이러한 영전압 스위칭이 역회복 전류와 접합 용량의 방전으로 인해 주요 변환 손실과 스트레스를 제거할 수 있으므로 소자 파손의 원인이 제거되어 장수명을 보장하게 되는 것이다.Therefore, referring to FIG. 3 (b), it is necessary to ensure that the converter does not operate in the capacitive region, that is, in the case of fs>fr1 operation, since the input impedance of the resonance tank is an inductive load, the MOSFET switching element has zero voltage (ZVS ), and at this time, the turn-on conversion loss is minimized because there is no Miller effect, and the input capacitance is not increased by the Miller effect. As it becomes part of the zero voltage switching, major conversion loss and stress due to reverse recovery current and discharge of junction capacitance can be eliminated, thereby eliminating the cause of device damage and ensuring long life.

본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.The present invention has the following effects.

(1) 본 발명은 스위칭 회로의 피동소자와 부하가 변화거나 설계치와 오차가 발생하는 경우에도 선로 소자의 LLC 공진회로의 스위칭 주파수를 선로 특성에 적합하도록 가변하는 방법을 선택하고, 선로의 인덕터, 커패시터 성분변화에 의해 위상차 변화에 의해 발생되는 공진주파수 임피던스 증가현상에 대비한 Zero Current Switching(ZCS)와 Zero Voltage Switching (ZVS)에 의한 Soft Switching 방식을 스위칭 소자 회로에 반영함으로써 제어하는 LLC 고주파 공진형 컨버터를 제공하고, 기존의 방식에 비하여 효율향상과 소자파손을 최소화하여 수명을 향상시킬 수 있도록 한다. (1) The present invention selects a method of varying the switching frequency of the LLC resonant circuit of the line element to suit the line characteristics even when the driven element and load of the switching circuit change or an error with the design value occurs, and the inductor of the line, LLC high frequency resonance type controlled by applying the Soft Switching method by Zero Current Switching (ZCS) and Zero Voltage Switching (ZVS) to the switching element circuit in preparation for the increase in resonance frequency impedance caused by the phase difference change due to the change in capacitor components. A converter is provided, and the lifespan can be improved by improving efficiency and minimizing device damage compared to the existing method.

(2) 본 발명은 기존 LLC 공진형 컨버터의 효율저감(손실증가)과 스위칭 소자의 스트레스 파손현상을 해결하기 위해, 능동 역률 개선 회로(Active Power Factor Correction) 없이도, 가변하는 AC 입력전압과 선로임피던스 변화에 대응하면서 원하는 입출력 DC 전압이득을 얻을 수 있으며 최소 스위칭 주파수를 가변할 수 있는 LLC 공진형 컨버터의 제어회로를 제공한다. (2) The present invention is a variable AC input voltage and line impedance without an active power factor correction circuit (Active Power Factor Correction) to solve the efficiency reduction (loss increase) of the existing LLC resonant converter and the stress breakdown phenomenon of the switching element Provided is a control circuit of an LLC resonant converter capable of obtaining a desired input/output DC voltage gain while responding to changes and varying a minimum switching frequency.

(3) 본 발명은 영전압 스위칭조건에서 동작이 가능하기 때문에 이상적으로 스위칭 손실을 제거할 수 있으며, 넓은 출력전압 범위가 가능하다. (3) Since the present invention can operate under zero voltage switching conditions, switching loss can be ideally eliminated and a wide output voltage range is possible.

(4) LLC 공진형 컨버터의 경우 공진 인덕터 전류, 공진 캐패시터 전압 그리고 자화 인덕터 전류가 고조파 성분을 포함하고 있기 때문에 LLC 컨버터의 고유 주파수가 스위칭 주파수의 근방에서 동작 주파수를 결정함에 따라 일반적으로 하드 스위칭 컨버터보다 효율이 높으므로 연료전지, 태양광발전 및 전기자동차의 배터리 충전기에는 활용이 가능한바, 히트싱크(H/S) 및 변압기 소형화가 가능하여 전원장치의 소형화가 가능하다.(4) In the case of an LLC resonant converter, since the resonant inductor current, resonant capacitor voltage, and magnetizing inductor current contain harmonic components, the natural frequency of the LLC converter determines the operating frequency in the vicinity of the switching frequency, so it is generally a hard switching converter. Since it is more efficient, it can be used for fuel cells, photovoltaic power generation, and battery chargers for electric vehicles, and it is possible to downsize a heat sink (H/S) and a transformer, so that a power supply device can be downsized.

Q1, Q2 : 모스펫 스위칭 소자 RC : 공진커패시터
RL : 자화인덕터 LL : 누설인덕터
D1, D2, D3, D4 : 출력단 다이오드 CO : 출력커패시터
C : 제어부 Q1, Q2: MOSFET switching element RC: resonant capacitor
RL: magnetizing inductor LL: leakage inductor
D1, D2, D3, D4: output diode CO: output capacitor
C: control unit

Claims (3)

권선코일의 권선비에 따라 입력 전압에 대하여 변환된 값의 출력전압을 공급하는 고주파 변압기;
2개의 모스펫 스위칭 소자가 직렬로 연결되되 상기 고주파 변압기의 1차측 권선코일에 접속되며 전원을 인가받는 브릿지 회로부;
상기 고주파 변압기의 1차측 권선코일에 직렬로 연결되되, 상기 브릿지 회로부의 직렬로 연결된 모스펫 스위칭 소자가 연결된 노드와 연결된 공진부를 포함하고,
상기 공진부는 등가회로를 구성하기 위해 공진커패시터, 변압기의 자화인덕터가 직렬로 구성되되, 두 소자 사이에는 누설인덕터가 등가회로를 구성하기 위해 추가적으로 연결되어 있는 것으로 가정되며, 상기 자화인덕터는 상기 고주파 변압기의 1차측 권선코일에 병렬로 연결된 것으로 가정하며,
상기 고주파 변압기 2차측 출력 필터구조가 커패시터의 전압원 형태임에 따라 출력단 다이오드가 상기 고주파 변압기의 2차측 권선에 연결되어 구성되어,
부하 출력단의 전압 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 LLC 고주파 공진형 컨버터.a high-frequency transformer for supplying an output voltage of a converted value with respect to an input voltage according to a winding ratio of a winding coil;
a bridge circuit unit in which two MOSFET switching elements are connected in series and connected to the primary side winding coil of the high frequency transformer and receive power;
A resonance part connected in series to the primary winding coil of the high frequency transformer and connected to a node to which a MOSFET switching element connected in series of the bridge circuit part is connected;
It is assumed that the resonance unit includes a resonant capacitor and a magnetizing inductor of a transformer in series to form an equivalent circuit, and a leakage inductor is additionally connected between the two elements to form an equivalent circuit, and the magnetizing inductor is the high frequency transformer. It is assumed that it is connected in parallel to the primary side winding coil of
As the secondary side output filter structure of the high frequency transformer is in the form of a voltage source of a capacitor, an output diode is connected to the secondary side winding of the high frequency transformer.
An LLC high-frequency resonant converter characterized in that it controls the voltage output of the load output stage. 청구항 1에 있어서,
상기 브릿지 회로부에 포함된 모스펫 스위칭 소자에 도통시그널을 송출하되, 영전압 (ZVS : Zero Voltage Switching) 스위칭을 하도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LLC 고주파 공진형 컨버터.The method of claim 1,
The LLC high frequency resonant converter further comprising a control unit for transmitting a conduction signal to the MOSFET switching element included in the bridge circuit unit and controlling zero voltage switching (ZVS) switching. 청구항 2에 있어서,
상기 브릿지 회로부에 포함된 모스펫 스위칭 소자에 도통시그널은 데드타임을 설정하여 브릿지 회로부의 단락을 방지하는 것을 특징으로 하는 LLC 고주파 공진형 컨버터.The method of claim 2,
The LLC high-frequency resonant converter, characterized in that the conduction signal to the MOSFET switching element included in the bridge circuit unit sets a dead time to prevent a short circuit in the bridge circuit unit.
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