KR20240024157A - Full Bridge DC-DC Converter Having Soft-Switching Circuit Under Entire Load Condition - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전부하에서 하드 스위칭 노이즈를 저감할 수 있는 전부하 소프트 스위칭 회로를 구비한 풀 브리지 컨버터에 관한 것이다.
본 발명은 입력 전원과 풀 브리지 회로 사이에 연결된 적어도 하나의 소프트 스위칭 회로를 포함하되, 상기 소프트 스위칭 회로는 별도의 구동 전원이 필요하지 않는 수동 소자만으로 구성되어 상기 변압기의 1차측 전류가 부족한 무부하 또는 저부하 조건에서 상기 제1 내지 제4 스위치에 대한 하드 스위칭을 방지하는 것을 특징으로 한다.
The present invention relates to a full-bridge converter equipped with a full-load soft switching circuit that can reduce hard switching noise at full load.
The present invention includes at least one soft switching circuit connected between an input power source and a full bridge circuit, wherein the soft switching circuit consists only of passive elements that do not require a separate driving power source, so that the primary side current of the transformer is insufficient for no-load or It is characterized in that hard switching of the first to fourth switches is prevented under low load conditions.

Description

전부하 소프트 스위칭 회로를 구비한 풀 브리지 컨버터{Full Bridge DC-DC Converter Having Soft-Switching Circuit Under Entire Load Condition}Full Bridge Converter Having Soft-Switching Circuit Under Entire Load Condition}

본 발명은 전부하에서 하드 스위칭 노이즈를 저감할 수 있는 전부하 소프트 스위칭 회로를 구비한 풀 브리지 컨버터에 관한 것이다. The present invention relates to a full-bridge converter equipped with a full-load soft switching circuit that can reduce hard switching noise at full load.

풀 브리지 컨버터(Full Bridge DC-DC Converter)는 1차측 풀 브리지 회로에 마련된 스위치 소자의 기생 캐패시터와 변압기의 누설 인덕턴스를 이용하여 1차측 스위치의 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching; ZVS), 즉 소프트 스위칭이 가능하기 때문에 높은 효율을 가지며, 고속 스위칭 동작으로 고효율 전력변환이 요구되는 용접기, 전기 자동차 등에 적용되고 있다. A full bridge DC-DC converter uses the parasitic capacitor of the switch element provided in the primary side full bridge circuit and the leakage inductance of the transformer to perform zero voltage switching (ZVS), that is, soft switching, of the primary side switch. Because this is possible, it has high efficiency and is applied to welders, electric vehicles, etc., which require high-efficiency power conversion through high-speed switching operations.

도 1에 도시된 바와 같이, 풀 브리지 컨버터는 변압기(11)를 중심으로 1차측 회로와 2차측 회로가 전기적으로 절연된 절연형 컨버터로서 1차측은 풀 브리지, 2차측은 센터탭 구조를 적용하여 낮은 출력 전압에서 높은 전류를 발생할 수 있다. 컨버터의 전력회로에서 생성된 에너지가 변압기(11)의 1차측에서 2차측으로 전달되어 부하에 공급되고, 부하에서 소비되는 에너지의 크기에 따라 컨버터의 전력회로에서 변압기(11)의 1차측에 전달하는 전류의 크기가 정해지게 되는데, 이 전류는 컨버터의 에너지 순환 동작과 에너지 전달 동작에 따라 구분할 수 있다. 에너지 순환에서 에너지 전달 동작으로 전환시 변압기의 누설 인덕턴스에 에너지가 저장되고, 에너지 전달에서 에너지 순환 동작으로 전환시 변압기(11)의 누설 인덕턴스(Llkg1)와 변압기(11)의 2차측에 결합된 출력 인덕터(Lo1)에 에너지가 저장된다.As shown in Figure 1, the full-bridge converter is an insulated converter in which the primary and secondary circuits are electrically isolated around the transformer 11. The primary side uses a full bridge structure, and the secondary side uses a center tap structure. High current can be generated at low output voltage. The energy generated in the converter's power circuit is transferred from the primary side of the transformer (11) to the secondary side and supplied to the load, and depending on the size of the energy consumed by the load, it is transmitted from the converter's power circuit to the primary side of the transformer (11). The size of the current is determined, and this current can be divided according to the energy circulation operation and energy transfer operation of the converter. When switching from energy circulation to energy transfer operation, energy is stored in the leakage inductance of the transformer, and when switching from energy transfer to energy circulation operation, the leakage inductance (L lkg1 ) of the transformer (11) and the secondary side of the transformer (11) are stored. Energy is stored in the output inductor (L o1 ).

컨버터의 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4 ; 예를 들어 MOSFET)의 영전압 스위칭이 발생되기 위해서 변압기(11)의 2차측에서 에너지가 소비되고 이로 인해 변압기(11)의 1차측 회로에 전류가 흘러야 하며, 1차측 회로에서 충분한 전류가 생성되지 않으면 영전압 스위칭 조건이 형성되기 어렵다. 에너지 전달에서 에너지 순환 동작으로 전환하는 경우에 비하여 에너지 순환에서 에너지 전달 동작으로 전환할 때 영전압 스위칭 조건이 더욱 형성되기 어렵다. In order for zero voltage switching of the converter's switches (Q 1 , Q 2 , Q 3 , Q 4 ; for example, MOSFET) to occur, energy is consumed on the secondary side of the transformer 11, which causes the primary side of the transformer 11 Current must flow in the circuit, and if sufficient current is not generated in the primary circuit, it is difficult to form a zero-voltage switching condition. Compared to the case of switching from energy transfer to energy circulation operation, it is more difficult to form a zero voltage switching condition when switching from energy circulation to energy transfer operation.

또 에너지 순환과 에너지 전달 동작에 상관 없이 저부하 또는 무부하 조건에서는 변압기(11)의 1차측 회로에 흐르는 전류가 적기 때문에 변압기(11)의 1차측 회로의 스위치 소자(MOSFET)를 영전압 스위칭하기 위한 에너지가 부족할 수 밖에 없어 스위치 소자에 대한 하드 스위칭 동작을 초래하게 된다. 이로 인하여 하드 스위칭 노이즈가 발생한다.In addition, regardless of energy circulation and energy transfer operations, under low load or no-load conditions, the current flowing in the primary circuit of the transformer 11 is small, so the switch element (MOSFET) of the primary circuit of the transformer 11 is used for zero voltage switching. Energy is inevitably insufficient, resulting in hard switching operation for the switch element. This causes hard switching noise.

종래에 하드 스위칭 노이즈에 대처하기 위하여 컨버터의 풀 브리지 회로에 보조 전원을 추가하여 인위적으로 영전압 스위칭 조건을 형성하도록 에너지를 주입하는 기법이 사용되었다. 그러나 변압기의 1차측 회로를 제어하기 위하여 보조 전원을 적용 시 회로 면적 및 제조 원가가 증가할 뿐 아니라 보조 전원을 제어하기 위한 추가적인 제어기가 요구된다. 또한 종래에는 영전압 스위칭 조건이 형성되기 쉽도록 변압기 1차측 인덕턴스를 조절하는 방법들이 사용되고 있다.In the past, in order to deal with hard switching noise, a technique was used to inject energy to artificially create a zero voltage switching condition by adding an auxiliary power source to the full bridge circuit of the converter. However, when applying auxiliary power to control the primary circuit of the transformer, not only does the circuit area and manufacturing cost increase, but an additional controller is required to control the auxiliary power. Additionally, conventional methods have been used to adjust the inductance of the primary side of the transformer so that zero voltage switching conditions can be easily formed.

[특허문헌1]은 무부하 상태를 포함하는 넓은 범위의 부하 조건에서 적절히 작동할 수 있는 풀 브리지 컨버터를 개시한 바 있다. 이 문헌에서 보조 변압기를 포함하는 보조 회로(2)를 이용하며, 보조 회로(2)는 주변합기(TM)의 1차측에 보조 변압기(TA)와 두개의 다이오드(DA1 , DA2)로 구성되는데, 추가된 보조 변압기(TA)는 변압기 구조의 커플드 인덕터(coupled inductor)로서, 커플드 인덕터의 인덕턴스가 1차측 전류의 흐름에 영향을 주기 때문에 독립적인 회로 설계가 불가능하며, 보조 변압기의 특성을 고려해야 하므로 컨버터의 설계 최적화가 어렵다는 문제점이 있다.[Patent Document 1] discloses a full-bridge converter that can operate properly under a wide range of load conditions, including no-load conditions. In this document, an auxiliary circuit (2) including an auxiliary transformer is used, and the auxiliary circuit (2) includes an auxiliary transformer (T A ) and two diodes (D A1 , D A2 ) on the primary side of the peripheral summation (T M ). The added auxiliary transformer (T A ) is a coupled inductor with a transformer structure. Since the inductance of the coupled inductor affects the flow of primary current, independent circuit design is impossible, and the auxiliary There is a problem that it is difficult to optimize the design of the converter because the characteristics of the transformer must be considered.

[특허문헌1] 한국등록특허 제10-0352804호(2002.09.02. 등록)[Patent Document 1] Korean Patent No. 10-0352804 (registered on September 2, 2002)

[비특허문헌1] Kwang-Hwa Liu and Fred C. Y. Lee, "Zero-Voltage Switching Technique in DC/DC Converters, "IEEE Trans. Power Electron., vol. 5, no. 3, pp. 293-304, July 1990.[Non-patent Document 1] Kwang-Hwa Liu and Fred C. Y. Lee, "Zero-Voltage Switching Technique in DC/DC Converters, "IEEE Trans. Power Electron., vol. 5, no. 3, pp. 293-304, July 1990. [비특허문헌2] Oliver D. Patterson and Deepakraj M. Divan, "Pseudo-Resonant Full Bridge DC/DC Converter, "IEEE Trans. Power Electron., vol. 6, no. 4, pp. 671-678, Oct. 1991.[Non-patent Document 2] Oliver D. Patterson and Deepakraj M. Divan, "Pseudo-Resonant Full Bridge DC/DC Converter," IEEE Trans. Power Electron., vol. 6, no. 4, pp. 671-678, Oct. 1991.

상기와 같은 문제점을 해결하고자 고안한 본 발명의 목적은 수동소자로 구성된 소프트 스위칭 회로를 풀 브리지 회로에 추가하여 하드 스위칭 노이즈를 저감하며, 소프트 스위칭 회로가 보조 전원이 불필요하고 변압기 1차측 전류의 흐름에 영향을 주지 않기 때문에 컨버터의 최적 설계가 용이한 전부하 소프트 스위칭 회로를 구비한 풀 브리지 컨버터를 제공함에 있다.The purpose of the present invention, designed to solve the above problems, is to reduce hard switching noise by adding a soft switching circuit composed of passive elements to the full bridge circuit, and the soft switching circuit does not require an auxiliary power source and reduces the flow of current on the primary side of the transformer. The goal is to provide a full-bridge converter with a full-load soft switching circuit that facilitates optimal design of the converter because it does not affect the

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전부하 소프트 스위칭 회로를 구비한 풀 브리지 컨버터는, 입력 전원; 1차 권선, 2차 권선, 및 누설 인덕턴스를 구비한 변압기; 상기 변압기의 1차측에 연결된 풀 브리지 회로; 상기 입력 전원과 풀 브리지 회로 사이에 연결된 적어도 하나의 소프트 스위칭 회로를 포함하되, 상기 풀 브리지 회로는 제1 노드에서 직렬로 결합되는 제1 및 제2 스위치, 제2 노드에서 직렬로 결합되는 제3 및 제4 스위치를 포함하고, 상기 제1 및 제2 스위치는 상기 입력 전원에 병렬 연결되며, 상기 제3 및 제4 스위치는 상기 입력 전원에 병렬 연결되고, 상기 제1 및 제2 노드의 각각은 상기 변압기의 1차 권선에 전기적으로 결합되며, 상기 제1 및 제2 스위치로 구성된 하나의 하프 브리지와 상기 입력 전원 사이에 하나의 상기 소프트 스위칭 회로가 병렬 연결됨과 동시에 상기 제3 및 제4 스위치로 구성된 다른 하나의 하프 브리지와 상기 입력 전원 사이에 다른 하나의 상기 소프트 스위칭 회로가 병렬 연결되고, 상기 소프트 스위칭 회로는 별도의 구동 전원이 필요하지 않는 수동 소자만으로 구성되어 상기 변압기의 1차측 전류가 부족한 무부하 또는 저부하 조건에서 상기 제1 내지 제4 스위치에 대한 하드 스위칭을 방지하는 것을 특징으로 한다.A full bridge converter equipped with a full-load soft switching circuit according to the present invention to achieve the above object includes an input power source; A transformer with a primary winding, a secondary winding, and a leakage inductance; a full bridge circuit connected to the primary side of the transformer; At least one soft switching circuit connected between the input power and the full bridge circuit, wherein the full bridge circuit includes first and second switches coupled in series at the first node, and a third switch coupled in series at the second node. and a fourth switch, wherein the first and second switches are connected in parallel to the input power source, the third and fourth switches are connected in parallel to the input power source, and each of the first and second nodes is It is electrically coupled to the primary winding of the transformer, and one soft switching circuit is connected in parallel between a half bridge composed of the first and second switches and the input power supply, and simultaneously connected to the third and fourth switches. Another soft switching circuit is connected in parallel between the other configured half bridge and the input power supply, and the soft switching circuit consists only of passive elements that do not require a separate driving power source, so that the primary current of the transformer is insufficient. It is characterized in that hard switching of the first to fourth switches is prevented under no-load or low-load conditions.

또한, 상기 소프트 스위칭 회로는 한 쌍의 공진 커패시터, 한 쌍의 다이오드, 및 공진 인덕터로 구성되는 것을 특징으로 한다.Additionally, the soft switching circuit is characterized by being composed of a pair of resonance capacitors, a pair of diodes, and a resonance inductor.

또한, 상기 소프트 스위칭 회로는 상기 컨버터의 데드 타임 구간에서 상기 제1 내지 제4 스위치 중 적어도 어느 하나의 스위치의 기생 커패시터를 충전하고 다른 하나의 스위치의 기생 커패시터를 방전시켜 다른 하나의 스위치의 영전압 스위칭 조건을 생성하는 것을 특징으로 한다.In addition, the soft switching circuit charges the parasitic capacitor of at least one of the first to fourth switches and discharges the parasitic capacitor of the other switch in the dead time period of the converter to reduce the zero voltage of the other switch. It is characterized by creating a switching condition.

또한, 상기 데드 타임 구간에서 영전압 스위칭에 필요한 에너지를 공진 인덕터에 저장하도록 공진 주기가 설정되며, 상기 공진 주기는 한 쌍의 공진 커패시터와 공진 인덕터에 의해 정해지고 상기 데드 타임 시간보다 크게 설정되는 것을 특징으로 한다.In addition, the resonance period is set to store the energy required for zero voltage switching in the dead time period in the resonance inductor, and the resonance period is determined by a pair of resonance capacitors and a resonance inductor and is set to be greater than the dead time time. It is characterized by

본 발명은 소프트 스위칭 회로를 변압기 1차측 회로에 추가함으로써 전부하(무부하부터 풀 부하까지)에서 영전압 스위칭 동작이 안정적으로 이루어지고, 소프트 스위칭 회로가 보조 전원이 불필요하고 변압기 1차측 전류의 흐름에 영향을 주지 않기 때문에 컨버터의 최적 설계가 용이하다.In the present invention, by adding a soft switching circuit to the transformer primary circuit, zero voltage switching operation is stably achieved at full load (from no load to full load), and the soft switching circuit does not require auxiliary power and supports the flow of transformer primary current. Since there is no influence, optimal design of the converter is easy.

도 1은 종래의 풀 브리지 컨버터의 회로도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전부하 소프트 스위칭 회로를 구비한 풀 브리지 컨버터의 회로도,
도 3은 도 2의 풀 브리지 컨버터에 대한 한 주기의 동작 타이밍 차트,
도 4는 도 2의 풀 브리지 컨버터를 구성하는 하프 브리지에 대한 한 주기의 동작 타이밍 차트,
도 5는 실시예에 따른 풀 브리지 컨버터의 모드 0 동작을 나타내는 회로도,
도 6은 실시예에 따른 풀 브리지 컨버터의 모드 1 동작을 나타내는 회로도,
도 7은 실시예에 따른 풀 브리지 컨버터의 모드 2 동작을 나타내는 회로도,
도 8은 실시예에 따른 풀 브리지 컨버터의 모드 3 동작을 나타내는 회로도,
도 9는 실시예에 따른 풀 브리지 컨버터의 모드 4 동작을 나타내는 회로도,
도 10은 실시예에 따른 풀 브리지 컨버터의 모드 5 동작을 나타내는 회로도,
도 11 도 12는 실시예에 따른 풀 브리지 컨버터의 모의 실혐하기 위한 등가 회로도,
도 13은 실시예에 따른 풀부하 조건에서 풀 브리지 컨버터의 동작 파형,
도 14는 실시예에 따른 무부하 조건에서 풀 브리지 컨버터의 동작 파형,
도 15는 실시예에 따른 풀부하 조건에서 풀 브리지 컨버터의 실험 파형,
도 16은 실시예에 따른 저부하 조건에서 풀 브리지 컨버터의 실험 파형.
1 is a circuit diagram of a conventional full bridge converter,
Figure 2 is a circuit diagram of a full-bridge converter with a full-load soft switching circuit according to an embodiment of the present invention;
Figure 3 is a timing chart of one cycle of operation for the full bridge converter of Figure 2;
Figure 4 is a timing chart of one cycle of operation for a half bridge constituting the full bridge converter of Figure 2;
Figure 5 is a circuit diagram showing mode 0 operation of a full bridge converter according to an embodiment;
Figure 6 is a circuit diagram showing mode 1 operation of a full bridge converter according to an embodiment;
7 is a circuit diagram showing mode 2 operation of a full bridge converter according to an embodiment;
8 is a circuit diagram showing mode 3 operation of a full bridge converter according to an embodiment;
9 is a circuit diagram showing mode 4 operation of a full bridge converter according to an embodiment;
10 is a circuit diagram showing mode 5 operation of a full bridge converter according to an embodiment;
11 and 12 are equivalent circuit diagrams for simulating a full bridge converter according to an embodiment;
13 is an operating waveform of a full bridge converter under full load conditions according to an embodiment;
14 is an operating waveform of a full bridge converter under no-load conditions according to an embodiment;
15 is an experimental waveform of a full bridge converter under full load conditions according to an embodiment,
Figure 16 is an experimental waveform of a full bridge converter under low load conditions according to an embodiment.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명함으로써 본 발명을 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Hereinafter, the present invention will be explained by explaining embodiments of the present invention with reference to the attached drawings. The same reference numerals in each drawing indicate the same member. Additionally, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. Additionally, when a part "includes" a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전부하 소프트 스위칭 회로를 구비한 풀 브리지 컨버터는 변압기(11)의 1차측은 풀 브리지, 2차측은 센터탭 구조를 적용하여 낮은 출력 전압에서 높은 전류를 발생한다. 1차측 풀 브리지 회로는 4개의 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4)를 포함하여 즉, 2개 하프 브리지가 병렬 연결되어 구성된다. 하나의 하프 브리지는 직렬 연결된 2개 스위치(Q1, Q2)로 구성되고, 다른 하나의 하프 브리지는 직렬 연결된 2개 스위치(Q3, Q4)로 구성된다.As shown in Figure 2, the full-bridge converter equipped with a full-load soft switching circuit according to the present invention applies a full bridge structure on the primary side of the transformer 11 and a center tap structure on the secondary side to generate high current at low output voltage. occurs. The primary full bridge circuit includes four switches (Q 1 , Q 2 , Q 3 , Q 4 ), that is, two half bridges are connected in parallel. One half bridge consists of two switches (Q 1 , Q 2 ) connected in series, and the other half bridge consists of two switches (Q 3 , Q 4 ) connected in series.

풀 브리지 회로는 제1 노드(N1)에서 직렬로 결합되는 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2), 제2 노드(N2)에서 직렬로 결합되는 제3 스위치(Q3) 및 제4 스위치(Q4)를 포함한다. 변압기(11)는 1차 권선, 2차 권선, 변압기의 권선 구조로부터 자연스럽게 형성되는 기생 누설 인덕턴스(Llkg1)를 구비한다. The full bridge circuit includes a first switch (Q 1 ) and a second switch (Q 2 ) coupled in series at the first node (N1), a third switch (Q 3 ) coupled in series at the second node (N2), and It includes a fourth switch (Q 4 ). The transformer 11 has a primary winding, a secondary winding, and a parasitic leakage inductance (L lkg1 ) naturally formed from the winding structure of the transformer.

각 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4)는 스위치의 도전단자(예, MOSFET에 대한 소스 및 드레인, BJT 및 IGBT에 대한 이미터 및 컬렉터)와 병렬로 배치된 기생 커패시터를 갖는 반도체 스위칭 소자(예, MOSFET, BJT, IGBT 등)를 포함할 수 있고 유사하게 배치되는 기생 도전 다이오드를 가질 수 있다. Each switch (Q 1 , Q 2 , Q 3 , Q 4 ) is a semiconductor device with a parasitic capacitor placed in parallel with the switch's conducting terminals (e.g., source and drain for MOSFETs, emitter and collector for BJTs and IGBTs). It may include switching elements (e.g., MOSFET, BJT, IGBT, etc.) and may have similarly arranged parasitic conductive diodes.

제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)의 직렬 연결은 입력 전원(Vin)에 병렬 연결되고, 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)의 직렬 연결은 입력 전원(Vin)에 병렬 연결된다. 제1 및 제2 노드(N1, N2)의 각각은 변압기(11)의 1차 권선의 단자에 전기적으로 결합된다.The series connection of the first and second switches (Q 1 , Q 2 ) is connected in parallel to the input power (V in ), and the series connection of the third and fourth switches (Q 3 , Q 4 ) is connected in parallel to the input power (V in ) is connected in parallel. Each of the first and second nodes N1 and N2 is electrically coupled to the terminal of the primary winding of the transformer 11.

무부하 또는 저부하에서 변압기 1차측에 흐르는 전류가 충분히 발생하지 않으면 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4)의 기생 커패시터가 충전된 상태에서 게이트 신호의 제어 신호에 따라 턴 온 될 수 있다. 턴 온 스위치는 기생 커패시터에 저장된 에너지를 충전하거나 방전할 때 전력 손실이 발생하며 추가로 풀 브리지 회로에 존재하는 기생 인덕턴스 성분과 결합하여 공진하게 된다. 하드 스위칭하는 스위치의 누설 인덕턴스와 기생 커패시터에 의해 공진 주파수의 노이즈가 발생할 수 있는데, 스위치의 내전압보다 휠씬 큰 노이즈가 생기는 경우 스위치에 영구적인 소손을 발생하기도 한다. 이 하드 스위칭 노이즈로 인해 주변 센싱 회로에 간섭을 일으킬 수 있고, 또한 하드 스위칭 노이즈가 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4)를 제어하는 게이트 구동회로(도시하지 않음)에 영향을 주기도 한다. 따라서 무부하부터 풀부하까지 전부하(Entire Load)에서 안정적으로 동작하기 위해서 하드 스위칭 노이즈를 저감시키는 것이 중요하다.If there is not enough current flowing through the primary side of the transformer at no load or low load, the parasitic capacitor of the switch (Q 1 , Q 2 , Q 3 , Q 4 ) may be turned on according to the control signal of the gate signal while being charged. . The turn-on switch generates power loss when charging or discharging the energy stored in the parasitic capacitor, and in addition, it resonates by combining with the parasitic inductance component present in the full bridge circuit. Noise at the resonant frequency may be generated by the leakage inductance and parasitic capacitor of a hard switching switch. If noise much greater than the withstand voltage of the switch is generated, permanent damage to the switch may occur. This hard switching noise may cause interference in surrounding sensing circuits, and the hard switching noise may also affect the gate driving circuit (not shown) that controls the switches (Q 1 , Q 2 , Q 3 , Q 4 ). do. Therefore, it is important to reduce hard switching noise in order to operate stably at full load from no load to full load.

실시예에서 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4) 각각에 전류를 공급하여 영전압 스위칭 조건을 형성하기 위하여 풀 브리지 회로에 추가된 소프트 스위칭 회로(10)를 포함한다. 풀 브리지는 대칭 구조를 가지는 한 쌍의 하프 브리지를 구비하고, 각 하프 브리지는 직렬 연결된 한 쌍의 스위치(Q1, Q2)(Q3, Q4)를 포함한다. 각각의 하프 브리지에 하드 스위칭 노이즈를 저감하기 위한 소프트 스위칭 회로(10)가 병렬 연결된다. 소프트 스위칭 회로(10)는 별도의 구동 전원이 필요하지 않은 수동소자(다이오드, 커패시터, 및 인덕터)만으로 구성할 수 있다. 하나의 소프트 스위칭 회로(10)는 직렬 연결된 한 쌍의 다이오드(D1, D2), 직렬 연결된 한 쌍의 공진 커패시터(C1, C2), 및 공진 인덕터(La)를 구비하고, 다른 하나의 소프트 스위칭 회로(10)는 직렬 연결된 한 쌍의 다이오드(D3, D4), 직렬 연결된 한 쌍의 공진 커패시터(C3, C4), 및 공진 인덕터(Lb)를 구비한다. In the embodiment, a soft switching circuit 10 is added to the full bridge circuit to supply current to each of the switches Q 1 , Q 2 , Q 3 , and Q 4 to form a zero-voltage switching condition. The full bridge includes a pair of half bridges with a symmetrical structure, and each half bridge includes a pair of switches (Q 1 , Q 2 ) (Q 3 , Q 4 ) connected in series. A soft switching circuit 10 to reduce hard switching noise is connected in parallel to each half bridge. The soft switching circuit 10 can be composed of only passive elements (diodes, capacitors, and inductors) that do not require a separate driving power source. One soft switching circuit 10 includes a pair of diodes (D 1 , D 2 ) connected in series, a pair of resonance capacitors (C 1 , C 2 ), and a resonance inductor (L a ) connected in series, and the other One soft switching circuit 10 includes a pair of diodes (D 3 , D 4 ) connected in series, a pair of resonance capacitors (C 3 , C 4 ) connected in series, and a resonance inductor (L b ).

소프트 스위칭 회로(10)의 공진 인덕터(La)(Lb)는 에너지 순환하는 동안 포화하지 않도록 고주파 스위칭 직류 전류용 인덕터를 적용한다. 공진 인덕터(La)(Lb)의 전류 크기는 공진 커패시터(C1, C2, C3, C4)와 입력 전원(Vin) 및 충전 시간에 의해 결정된다. 공진 인덕터(La)(Lb)는 전력회로의 데드 타임 구간에서 전류를 공급하여 영전압 스위칭 조건을 형성하도록 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4)의 기생 커패시터를 충전 또는 방전시키는 동작을 한다. 데드 타임 구간을 제외한 나머지 구간에서 공진 인덕터(La)(Lb)에 저장된 전류는 순방향 혹은 역방향 전류원으로 동작한다. The resonance inductor (L a ) (L b ) of the soft switching circuit 10 is an inductor for high-frequency switching direct current so as not to saturate during energy circulation. The current size of the resonant inductor (L a ) (L b ) is determined by the resonant capacitors (C 1 , C 2 , C 3 , C 4 ), the input power (V in ), and the charging time. The resonant inductor (L a ) (L b ) supplies current in the dead time section of the power circuit to charge or discharge the parasitic capacitor of the switch (Q 1 , Q 2 , Q 3 , Q 4 ) to form a zero-voltage switching condition. Do what you are told to do. In the remaining sections except for the dead time section, the current stored in the resonant inductor (L a ) (L b ) operates as a forward or reverse current source.

실시예에서 소프트 스위칭 회로(10)와 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4)의 스위칭 동작으로 영전압 스위칭 조건을 형성할 수 있다. 따라서 공진 인덕터(La)(Lb)에 전류가 일정하게 흐르게 되어 공진 전류가 흐르는 경로의 다이오드나 스위치에서 일부 도통 손실을 발생하게 된다. 하지만 스위치의 영전압 스위칭에 필요한 인덕터의 에너지는 공진 인덕터(La)(Lb)를 충분히 크게 설계하면 적은 공진 전류로도 저장할 수 있다. 따라서 공진 인덕터(La)(Lb)에 전류가 연속적으로 흐르더라도 회로에 미치는 전류 스트레스와 도통 손실은 적게 발생하도록 설계할 수 있다.In the embodiment, a zero voltage switching condition may be formed through the switching operation of the soft switching circuit 10 and the switches Q 1 , Q 2 , Q 3 , and Q 4 . Therefore, the current flows constantly through the resonance inductor (L a ) (L b ), causing some conduction loss in the diode or switch in the path through which the resonance current flows. However, the inductor energy required for zero-voltage switching of the switch can be stored with a small resonance current if the resonance inductor (L a ) (L b ) is designed sufficiently large. Therefore, even if current flows continuously through the resonant inductor (L a ) (L b ), the current stress and conduction loss on the circuit can be designed to be small.

소프트 스위칭 회로(10)는 풀 브리지를 구성하는 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4)의 데드 타임 구간에서 공진 인덕터(La)(Lb)가 스위치의 기생 커패시터와 공진한다. In the soft switching circuit 10, the resonance inductor L a (L b ) resonates with the parasitic capacitor of the switch in the dead time section of the switches Q 1 , Q 2 , Q 3 , and Q 4 forming a full bridge.

공진 인덕터(La)(Lb)는 데드 타임 구간이 시작할 때마다 전류의 방향이 번갈아 바뀌면서 에너지를 저장하며 나머지 운전 구간(에너지 전달 구간과 에너지 순환 구간)에서 전류원으로 동작한다. 이때 공진 커패시터(C1, C2, C3, C4)와 공진 인덕터(La, Lb)의 공진에 의해 각 공진 인덕터(La, Lb)에 에너지가 저장된다. 공진 주기의 1/4주기 동안에 에너지가 저장된다. 에너지 순환 구간이 종료된 데드 타임 구간에서 영전압 스위칭에 필요한 에너지를 공진 인덕터에 저장하도록 공진 주기가 설정되며, 즉 공진 커패시터(C1, C2, C3, C4)와 공진 인덕터(La, Lb)에 의해 정해지는 공진 주기는 데드 타임 시간보다 커야 한다. The resonant inductor (L a ) (L b ) stores energy by alternating the direction of the current whenever a dead time section begins and operates as a current source in the remaining operation sections (energy transfer section and energy circulation section). At this time, energy is stored in each resonance inductor (L a , L b ) by resonance of the resonance capacitors (C 1 , C 2, C 3 , C 4 ) and the resonance inductors (L a , L b ). Energy is stored during one quarter of the resonance period. In the dead time section where the energy circulation section ends, the resonance period is set to store the energy required for zero voltage switching in the resonance inductor, that is, the resonance capacitors (C 1 , C 2 , C 3 , C 4 ) and the resonance inductor (L a , L b ) must be greater than the dead time.

도 3을 참고하여, 영전압 스위칭 펄스폭변조 방식(ZVS PWM)으로 제어되는 풀 브리지 컨버터의 한 주기에 해당하는 동작 타이밍 차트는 모드 0구간(M0) 부터 모드 9구간(M9) 까지 총 10개 구간으로 구성된다. 참고로 도 4는 도 3의 동작 타이밍 차트에 관련하여 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4)를 포함하는 하프 브리지에 대한 한 주기의 동작 타이밍 차트이다. 한 주기의 절반에서 이루어지는 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)의 동작은 나머지 절반에서 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)의 동작으로 치환되어 동일한 패턴으로 반복한다. Referring to Figure 3, the operation timing chart corresponding to one cycle of the full bridge converter controlled by the zero voltage switching pulse width modulation method (ZVS PWM) is from mode 0 section (M 0 ) to mode 9 section (M 9 ). It consists of 10 sections. For reference, FIG. 4 is an operation timing chart of one cycle for a half bridge including first and second switches (Q 1 , Q 2 , Q 3 , Q 4 ) in relation to the operation timing chart of FIG. 3 . The operations of the first and second switches (Q 1 , Q 2 ) performed in half of one cycle are replaced by the operations of the third and fourth switches (Q 3 , Q 4 ) in the other half and repeated in the same pattern.

이하에서 한 주기의 절반에 해당하는 모드 0 구간(M0) 부터 모드 4 구간(M4), 그리고 나머지 절반이 시작되는 모드 5 구간(M5)에 대해 설명한다.Below, the mode 0 section (M 0 ) corresponding to half of one cycle, the mode 4 section (M 4 ), and the mode 5 section (M 5 ) where the remaining half begins will be described.

도 5를 참고하여, 모드 0 구간(M0)은 시간 t0 부터 시간 t1 까지 이다. 모드 0 구간(M0)은 이전 주기의 에너지 순환이 유지되기 때문에 턴 온 상태의 제2 및 제 4스위치(Q2, Q4)를 통해서 변압기(11)의 1차측 전류가 역방향으로 순환한다. 이때 소프트 스위칭 회로(10)는 전류원으로 동작한다. 스위칭 주파수가 매우 높다면 소프트 스위칭 회로(10)의 공진 인덕터(La)(Lb)는 나노 초(nsec) 동안 인덕터에 저장된 에너지에 의해 전류원으로 동작한다. 예를 들어 공진 인덕터(La)에 인가되는 전압의 극성이 바뀌어 공진 인덕터(La)의 전류(iLa) 방향이 반대로 변경되어 에너지가 저장되고, 공진 인덕터(La)에 저장된 에너지에 의해 전류원으로 동작하게 되는 것이다. 모드 0 구간(M0)에서 다이오드(D2)를 통해서 제2 스위치(Q2)에 전류를 공급한다.Referring to FIG. 5, the mode 0 section (M 0 ) is from time t 0 to time t 1 . In the mode 0 section (M 0 ), since the energy circulation of the previous cycle is maintained, the primary current of the transformer 11 circulates in the reverse direction through the second and fourth switches (Q 2 , Q 4 ) that are turned on. At this time, the soft switching circuit 10 operates as a current source. If the switching frequency is very high, the resonant inductor L a (L b ) of the soft switching circuit 10 operates as a current source by the energy stored in the inductor for nanoseconds (nsec). For example, when the polarity of the voltage applied to the resonance inductor (L a ) changes, the direction of the current (i La ) in the resonance inductor (L a ) changes to the opposite direction and energy is stored, and the energy stored in the resonance inductor (L a ) changes to the opposite direction. It operates as a current source. In the mode 0 section (M 0 ), current is supplied to the second switch (Q 2 ) through the diode (D 2 ).

모드 0 구간(M0)은 에너지 순환 동작을 하는데, 변압기(11)의 1차측 전류는 직류이기 때문에 변압기(11)는 자기 결합이 발생하지 않아서 변압기(11)의 2차측으로 에너지가 전달되지 않는다. 출력 인덕터(Lo)에 저장된 에너지에 의해 변압기(11)의 2차측 전류가 흐르게 되고, 출력측 부하(RL)에서 에너지를 소비함에 따라 전류량은 점차적으로 감소한다. The mode 0 section (M 0 ) performs an energy circulation operation. Since the primary current of the transformer 11 is direct current, magnetic coupling does not occur in the transformer 11, so energy is not transferred to the secondary side of the transformer 11. . The energy stored in the output inductor (L o ) causes current to flow in the secondary side of the transformer (11), and the amount of current gradually decreases as energy is consumed in the output side load (R L ).

도 6을 참고하여, 모드 1구간(M1)은 시간 t1 부터 시간 t2 까지 이며, 제1 및 제2 스위치(Q1)(Q2)가 모두 턴 오프 상태가 되는 데드 타임 구간이다.Referring to FIG. 6, mode 1 section (M 1 ) is from time t 1 to time t 2 and is a dead time section in which both the first and second switches (Q 1 ) (Q 2 ) are turned off.

제2 스위치(Q2)가 턴 오프 함에 따라 제2 스위치(Q2)의 기생 커패시터 전압(Vds2)은 충전이 되고 제1 스위치(Q1)의 기생 커패시터 전압(Vds1)은 방전이 되어 입력 전압의 절반에 해당하는 전압(Vin/2)으로 안정화가 되는데, 변압기(11)의 누설 인덕턴스(L1kg1)에 충분한 에너지가 저장된 상태이면 제2 스위치(Q2)의 기생 커패시터는 지속적으로 충전되며 입력 전압(Vin) 까지 증가하게 된다. 여기서 제1 스위치(Q1)의 기생 커패시터가 0 전압으로 방전이 되는데, 이것이 제1 스위치(Q1)의 영전압 조건이 된다. 만약 변압기(11)의 1차측 전류가 부족하여 변압기(11)의 누설 인덕턴스(L1kg1)만으로 제1 스위치(Q1)의 영전압 조건이 발생하지 않으면 소프트 스위칭 회로(10)의 공진 인덕터(La)에 저장된 에너지가 제2 스위치(Q2)의 기생 커패시터를 추가적으로 충전시켜 제1 스위치(Q1)의 영전압 조건이 발생되도록 한다. 예를 들어 무부하 또는 저부하에서 변압기(11)의 1차측 전류가 부족한 경우 누설 인덕턴스(L1kg1)뿐만 아니라 소프트 스위칭 회로(10)의 공진 인덕터(La)에 저장된 에너지를 이용하여 제2 스위치(Q2)의 기생 커패시터에 대한 충전 동작이 지속되게 하여 제1 스위치(Q1)가 0 전압으로 방전될 수 있도록 한다.As the second switch (Q 2 ) is turned off, the parasitic capacitor voltage (V ds2 ) of the second switch (Q 2 ) is charged and the parasitic capacitor voltage (V ds1 ) of the first switch (Q 1 ) is discharged. It is stabilized at a voltage (V in /2) corresponding to half of the input voltage. If sufficient energy is stored in the leakage inductance (L 1kg1 ) of the transformer (11), the parasitic capacitor of the second switch (Q 2 ) continues to It is charged and increases to the input voltage (V in ). Here, the parasitic capacitor of the first switch (Q 1 ) is discharged to 0 voltage, which becomes the zero voltage condition of the first switch (Q 1 ). If the primary current of the transformer 11 is insufficient and the zero voltage condition of the first switch (Q 1 ) does not occur only with the leakage inductance (L 1 kg 1 ) of the transformer 11, the resonance inductor (L) of the soft switching circuit 10 The energy stored in a ) additionally charges the parasitic capacitor of the second switch (Q 2 ) to generate a zero voltage condition of the first switch (Q 1 ). For example, when the primary current of the transformer 11 is insufficient at no load or low load, the second switch ( The charging operation for the parasitic capacitor of Q 2 ) is continued so that the first switch (Q 1 ) can be discharged to 0 voltage.

도 7을 참고하여, 모드 2 구간(M2)은 시간 t2 부터 시간 t3 까지 이다.Referring to FIG. 7, the mode 2 section (M 2 ) is from time t 2 to time t 3 .

이전 모드 1 구간(M1)에서 영전압 스위칭 조건이 충족된 제1 스위치(Q1)가 턴 온 됨에 따라 모드 2 구간(M2)에서 변압기(11)의 1차측 전류가 순방향으로 증가하기 시작하여 변압기(11)에 에너지가 공급된다. 모드 1 구간(M1)에서 이미 제1 스위치(Q1)의 기생 커패시터가 영전압 조건이 되었기 때문에 모드 2 구간(M2)에서 제1 스위치(Q1)는 턴 온 스위칭 손실 없이 도통된다. 제 1 스위치(Q1)가 턴 온 상태가 되면 소프트 스위칭 회로(10)의 공진 인덕터(La)는 공진 커패시터(C2)와 공진하여 정방향 전류에 의해 충전되고 인덕터 전류(ILa)와 커패시터 전압(VC2)은 증가하기 시작한다.As the first switch (Q 1 ), which met the zero voltage switching condition in the previous mode 1 section (M 1 ), is turned on, the primary current of the transformer 11 begins to increase in the forward direction in the mode 2 section (M 2 ). Thus, energy is supplied to the transformer 11. Since the parasitic capacitor of the first switch (Q 1 ) has already reached a zero voltage condition in the mode 1 section (M 1 ), the first switch (Q 1 ) conducts without turn-on switching loss in the mode 2 section (M 2 ). When the first switch (Q1) is turned on, the resonance inductor (L a ) of the soft switching circuit 10 resonates with the resonance capacitor (C 2 ) and is charged by the forward current, and the inductor current (I La ) and the capacitor voltage (V C2 ) starts to increase.

도 8을 참고하여, 모드 3 구간(M3)은 시간 t3 부터 시간 t4 까지 이다.Referring to FIG. 8, the mode 3 section (M 3 ) is from time t 3 to time t 4 .

모드 3 구간(M3)은 제1 스위치(Q1)가 턴 온 상태에서 변압기(11)의 1차측 전류가 순방향으로 흐르면서 변압기(11)의 2차측으로 에너지가 전달된다. 공진 커패시터(C2)의 충전이 완료되면 공진 인덕터(La)의 전류(ILa)는 다이오드(D1)를 통해서 입력 전원(Vin)으로 흐른다. 변압기(11)의 1차측 전류는 변압기(11)의 1차측과 2차측의 권선비, 2차측의 출력 인덕터(Lo), 출력 전압, 부하 저항에 의해서 결정된다.In the mode 3 section (M 3 ), when the first switch (Q 1 ) is turned on, the current on the primary side of the transformer 11 flows in the forward direction and energy is transferred to the secondary side of the transformer 11. When charging of the resonance capacitor (C 2 ) is completed, the current (I La ) of the resonance inductor (L a ) flows to the input power (V in ) through the diode (D 1 ). The primary current of the transformer 11 is determined by the turns ratio of the primary and secondary sides of the transformer 11, the output inductor (L o ) of the secondary side, the output voltage, and the load resistance.

도 9를 참고하여, 모드 4 구간(M4)은 시간 t4 부터 시간 t5 까지 이다.Referring to FIG. 9, the mode 4 section (M 4 ) is from time t 4 to time t 5 .

모드 4 구간(M4)에서 제1 스위치(Q1)가 턴 오프 된다. 모드 4 구간(M4)은 제1 및 제2스위치(Q1)(Q2)가 모두 턴 오프 상태인 데드 타임 구간이다. 제1 및 제2 스위치(Q1)(Q2)의 턴 오프 시간은 매우 짧은 시간이므로 변압기(11)의 1차측에서 2차측으로 에너지가 전달된다.In the mode 4 section (M 4 ), the first switch (Q 1 ) is turned off. The mode 4 section (M 4 ) is a dead time section in which both the first and second switches (Q 1 ) (Q 2 ) are turned off. Since the turn-off time of the first and second switches (Q 1 ) (Q 2 ) is a very short time, energy is transferred from the primary side of the transformer 11 to the secondary side.

제1 스위치(Q1)가 턴 오프 되면 소프트 스위칭 회로(10)의 공진 인덕터(La)의 전류(ILa)가 순방향으로 흐르면서 턴 오프된 제1 스위치(Q1)의 기생 커패시터를 충전한다. 이때 턴 오프된 제2 스위치(Q2)의 기생 커패시터는 방전한다. 여기서 제2 스위치(Q2)의 기생 커패시터는 0전압으로 방전하는데, 이것이 제2 스위치(Q2)의 영전압 조건이 된다.When the first switch (Q 1 ) is turned off, the current (I La ) of the resonance inductor (L a ) of the soft switching circuit 10 flows in the forward direction and charges the parasitic capacitor of the turned-off first switch (Q 1 ). . At this time, the parasitic capacitor of the turned-off second switch (Q 2 ) is discharged. Here, the parasitic capacitor of the second switch (Q 2 ) discharges to 0 voltage, which becomes the zero voltage condition of the second switch (Q 2 ).

도 10을 참고하여, 모드 5 구간(M5)은 시간 t5 부터 시간 t6 까지 이다. Referring to FIG. 10, the mode 5 section (M 5 ) is from time t 5 to time t 6 .

모드 5 구간(M5)에서 제2 스위치(Q2)가 턴 온 되어 변압기(11)의 1차측 전류가 제2 및 제4 스위치(Q2)(Q4)를 경유하여 순환한다. 모드 5 구간(M5)에서 변압기(11)의 1차측 전류는 직류이므로 변압기(11)에 자기 결합이 발생하지 않기 때문에 변압기(11)의 1차측에서 2차측으로 에너지가 전달되지 않는다. 변압기(11)의 2차측 회로에서 출력 인덕터(Lo)의 전류가 순환한다.In the mode 5 section (M 5 ), the second switch (Q 2 ) is turned on and the primary current of the transformer 11 circulates through the second and fourth switches (Q 2 ) (Q 4 ). In the mode 5 section (M 5 ), the primary current of the transformer 11 is direct current, so magnetic coupling does not occur in the transformer 11, so energy is not transferred from the primary side of the transformer 11 to the secondary side. The current in the output inductor (L o ) circulates in the secondary circuit of the transformer (11).

제2 스위치(Q2)가 턴 온 되면 소프트 스위칭 회로(10)의 공진 커패시터(C2)는 공진 인덕터(La)에 에너지를 충전한다. 공진 커패시터(C2)의 전압은 0전압으로 방전한다. 공진 인덕터(La)의 전류(ILa)는 역방향으로 흐르며 다이오드(D2)와 제2 스위치(Q2)를 경유한다. 공진 인덕터(La)의 전류(ILa)는 모드 6 구간(M6)부터 모드 9 구간(M9) 까지 전류원으로 동작한다.When the second switch (Q 2 ) is turned on, the resonance capacitor (C 2 ) of the soft switching circuit 10 charges energy to the resonance inductor (L a ). The voltage of the resonance capacitor (C 2 ) is discharged to 0 voltage. The current (I La ) of the resonant inductor (L a ) flows in the reverse direction and passes through the diode (D 2 ) and the second switch (Q 2 ). The current (I La ) of the resonant inductor (L a ) operates as a current source from the mode 6 section (M 6 ) to the mode 9 section (M 9 ).

이와 같이 소프트 스위칭 회로(10)는 각 데드 타임 구간의 시작부터 에너지 전달 구간과 에너지 순환 구간에 걸치는 시간 동안 소프트 스위칭 회로(10)의 공진 커패시터와 공진 인덕터의 공진에 의한 에너지를 공진 인덕터에 저장한다. 변압기(11)의 1차측 전류의 유무에 상관 없이 소프트 스위칭 회로의 공진 인덕터는 저장된 에너지를 스위치에 공급하여 영전압 스위칭 조건을 발생시키게 된다.In this way, the soft switching circuit 10 stores the energy generated by resonance of the resonance capacitor and the resonance inductor of the soft switching circuit 10 in the resonance inductor during the time spanning from the start of each dead time section to the energy transfer section and the energy circulation section. . Regardless of the presence or absence of current on the primary side of the transformer 11, the resonant inductor of the soft switching circuit supplies the stored energy to the switch to generate a zero voltage switching condition.

도 11 및 도 12는 소프트 스위칭 회로의 모의 실혐에 대한 등가 회로도이고, 도 13은 풀부하 조건에서 소프트 스위칭 회로의 동작 파형이며, 도 14는 무부하 조건에서 소프트 스위칭 회로의 동작 파형이다. Figures 11 and 12 are equivalent circuit diagrams for simulated actual cases of the soft switching circuit, Figure 13 is the operating waveform of the soft switching circuit under full load conditions, and Figure 14 is the operating waveform of the soft switching circuit under no load conditions.

1차측 전류(Ip1)가 충분히 크면 제1 내지 4 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4) 중 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)의 영전압 스위칭 동작이 원활하나 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)는 누설 인덕턴스(L1kg1)의 전류로 영전압 스위칭 동작이 이루어져야 한다. 저부하에서 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)에 대한 영전압 스위칭 동작이 발생하지 않으면 하드 스위칭 노이즈가 증가하고 전력변환 효율이 낮아지게 된다. 실시예에서는 직렬 연결된 한쌍의 스위치(Q1, Q2)와 직렬 연결된 다른 한쌍의 스위치(Q3, Q4)에 각각 소프트 스위칭 회로(10)를 병렬 연결하고, 이 소프트 스위칭 회로(10)에 의해 직렬 연결된 스위치(Q1, Q2)(Q3, Q4)에 대한 영전압 스위칭 동작이 원활하게 이루어진다.If the primary current (I p1 ) is sufficiently large, the zero voltage switching operation of the third and fourth switches (Q 3 , Q 4 ) among the first to fourth switches (Q 1 , Q 2 , Q 3 , Q 4 ) is smooth . The first and second switches (Q 1 , Q 2 ) must perform a zero-voltage switching operation with a current of leakage inductance (L 1 kg 1 ). If the zero voltage switching operation for the first and second switches (Q 1 , Q 2 ) does not occur at low load, hard switching noise increases and power conversion efficiency decreases. In the embodiment, a soft switching circuit 10 is connected in parallel to a pair of switches (Q 1 , Q 2 ) connected in series and another pair of switches (Q 3 , Q 4 ) connected in series, respectively, and Zero voltage switching operation for switches (Q 1 , Q 2 ) (Q 3 , Q 4 ) connected in series is performed smoothly.

도 13을 참고하여, 변압기(11)의 2차측 부하가 존재하기 때문에, 변압기(11)의 1차측과 소프트 스위칭 회로(10)에 전류가 흐르고, 즉 1차측 전류(Ip1; ①)와 공진 인덕터(La)의 전류(ILa;②)는 증가한다. 이때 소프트 스위칭 회로(10)의 제1 스위치(Q1)의 전압(Vsw1)은 Low 상태로 전환되어(③) 영전압 스위칭 조건이 충족된다. 영전압 스위칭 조건이 충족된 제1 스위치(Q1)가 게이트 신호(G1)에 의해 턴 온 된다(④). 이렇게 영전압 스위칭 조건에서 제1 스위치(Q1)에 대해 턴 온 동작이 이루어지기 때문에 도통 손실을 줄일 수 있다.Referring to FIG. 13, since there is a load on the secondary side of the transformer 11, a current flows through the primary side of the transformer 11 and the soft switching circuit 10, that is, it resonates with the primary current (I p1 ; ①). The current (I La ;②) of the inductor (L a ) increases. At this time, the voltage (V sw1 ) of the first switch (Q 1 ) of the soft switching circuit 10 is converted to a low state (③), thereby satisfying the zero voltage switching condition. The first switch (Q 1 ) for which the zero voltage switching condition is met is turned on by the gate signal (G1) (④). Since the turn-on operation is performed on the first switch (Q 1 ) under zero voltage switching conditions, conduction loss can be reduced.

도 14를 참고하여, 무부하 조건에서 변압기(11)의 1차측 전류(Ip1; ⑤)는 작은 크기의 자화 전류만 흐르기 때문에 공진 인덕터(La)의 전류(ILa;⑥)에 의존하여 제1 스위치(Q1)의 전압(Vsw1)이 Low 상태로 전환시키고(⑦), 영전압 스위칭 조건이 충족된 제1 스위치(Q1)가 게이트 신호(G1)에 의해 턴 온 된다(⑧). 이와 같이 무부하 또는 저부하에서는 변압기(11)의 1차측 전류가 매우 감소하게 되므로 전체 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4)에서 하드 스위칭 동작이 이루어질 수 있지만, 실시예의 소프트 스위칭 회로(10)에 의해 스위치의 영전압 스위칭 조건을 형성함으로서 하드 스위칭 노이즈를 방지할 수 있다. Referring to FIG. 14, under no-load conditions, the primary current (I p1 ; ⑤) of the transformer 11 depends on the current (I La ; ⑥) of the resonant inductor (L a ) because only a small magnetization current flows. 1 The voltage (V sw1 ) of the switch (Q 1 ) switches to the low state (⑦), and the first switch (Q 1 ) that has met the zero voltage switching condition is turned on by the gate signal (G1) (⑧). . In this way, at no load or low load, the primary current of the transformer 11 is greatly reduced, so hard switching operation can be performed in all switches (Q 1 , Q 2 , Q 3 , Q 4 ), but the soft switching circuit (10) of the embodiment ), hard switching noise can be prevented by forming the zero voltage switching conditions of the switch.

도 15는 풀부하 조건에서 출력 전압 50V, 출력 전류 200A 에서 실험한 동작 파형이고, 도 16은 저부하 조건에서 출력 전압 50V, 출력 전류 200A 에서 실험한 동작 파형이다. 여기서, 채널1(CH1)은 제1 스위치(Q1)의 전압, 채널2(CH2)는 제1 스위치(Q1)의 게이트 신호(G1), 채널3(CH3)은 공진 인덕터(La)의 전류(ILa), 채널4(CH4)는 공진 커패시터(C2)의 전압(Vc2) 이다.Figure 15 is an operating waveform tested under full load conditions at an output voltage of 50V and an output current of 200A, and Figure 16 is an operating waveform tested at an output voltage of 50V and an output current of 200A under low load conditions. Here, channel 1 (CH1) is the voltage of the first switch (Q 1 ), channel 2 (CH2) is the gate signal (G1) of the first switch (Q 1 ), and channel 3 (CH3) is the resonance inductor (L a ). The current (I La ), channel 4 (CH4) is the voltage (Vc 2 ) of the resonance capacitor (C 2 ).

도 15를 참고하여, 풀 부하 조건에서 제1 스위치(Q1)의 게이트 신호(G1)가 높아지는 시점(②)에서 제1 스위치(Q1)는 턴 오프 되는데(①), 공진 인덕터(La)의 전류(ILa)가 공진 커패시터(C2)에 흐름에 따라 공진 인덕터(La)의 전류(③, ILa)와 공진 커패시터(C2)의 전압(④, Vc2)는 상승하여 에너지를 저장한다. 또한, 제1 스위치(Q1)의 게이트 신호(G1)가 낮아지는 시점(⑤)에서 제1 스위치(Q1)는 턴 온 되는데(⑥), 공진 인덕터(La)의 전류(ILa)가 공진 커패시터(C2)를 경유하여 제1 스위치(Q1)에 흐름에 따라 공진 인덕터(La)의 전류(③, ILa)와 공진 커패시터(C2)의 전압(④, Vc2)는 하강한다. 이는 소프트 스위칭 회로의 공진 인덕터와 공진 커패시터가 에너지를 흡수하거나 방출함으로써 스위치에서 발생할 수 있는 하드 스위칭 노이즈를 억제할 수 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 15, under full load conditions, at the point (②) when the gate signal (G1) of the first switch (Q 1 ) becomes high, the first switch (Q 1 ) is turned off (①), and the resonance inductor (L a As the current (I La ) flows into the resonance capacitor (C 2 ), the current (③, I La ) of the resonance inductor (L a ) and the voltage (④, Vc 2 ) of the resonance capacitor (C 2 ) rise. Save energy. In addition, at the point in time (⑤) when the gate signal (G1) of the first switch (Q 1 ) becomes low, the first switch (Q 1 ) is turned on (⑥), and the current (I La ) of the resonance inductor (L a ) The current (③, I La ) of the resonance inductor (L a ) and the voltage (④, Vc 2 ) of the resonance capacitor (C 2 ) flow through the first switch (Q 1 ) via the resonance capacitor (C 2 ). descends. This confirms that the resonant inductor and resonant capacitor of the soft switching circuit can suppress hard switching noise that may occur in the switch by absorbing or emitting energy.

도 16을 참고하여, 무 부하 조건에서 제1 스위치(Q1)의 게이트 신호(G1)가 높아지는 시점(②)에서 제1 스위치(Q1)는 턴 오프 되는데(①), 공진 인덕터(La)의 전류(ILa)가 공진 커패시터(C2)에 흐름에 따라 공진 인덕터(La)의 전류(③, ILa)와 공진 커패시터(C2)의 전압(④, Vc2)는 상승하여 에너지를 저장한다. 이후 제1 스위치(Q1)의 게이트 신호(G1)가 낮아져 제1 스위치(Q1)는 턴 온 되는 시점에서 공진 인덕터(La)의 전류(ILa)가 공진 커패시터(C2)를 경유하여 제1 스위치(Q1)에 흐름에 따라 공진 인덕터(La)의 전류(ILa)와 공진 커패시터(C2)의 전압(Vc2)는 하강한다. Referring to FIG. 16, under no-load conditions, at the point (②) when the gate signal (G1) of the first switch (Q 1 ) becomes high, the first switch (Q 1 ) is turned off (①), and the resonance inductor (L a As the current (I La ) flows into the resonance capacitor (C 2 ), the current (③, I La ) of the resonance inductor (L a ) and the voltage (④, Vc 2 ) of the resonance capacitor (C 2 ) rise. Save energy. Afterwards, at the point when the gate signal (G1) of the first switch (Q 1 ) is lowered and the first switch (Q 1 ) is turned on, the current (I La ) of the resonance inductor (L a ) passes through the resonance capacitor (C 2 ). Accordingly, as the flow flows through the first switch (Q 1 ), the current (I La ) of the resonance inductor (L a ) and the voltage (Vc 2 ) of the resonance capacitor (C 2 ) decrease.

이와 같이 실시예에서 풀 브리지 컨버터는 전 부하(풀 부하 ~ 무 부하)에서 추가된 소프트 스위칭 회로의 공진 인덕터와 공진 커패시터가 에너지를 흡수하거나 방출함으로써 스위치에서 발생할 수 있는 하드 스위칭 노이즈를 억제할 수 있음을 확인할 수 있다.In this embodiment, the full bridge converter can suppress hard switching noise that may occur in the switch by absorbing or emitting energy by the resonant inductor and resonant capacitor of the added soft switching circuit at full load (full load to no load). can confirm.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.The description of the present invention described above is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical idea or essential features of the present invention. will be.

10 : 소프트 스위칭 회로
11 : 변압기
10: soft switching circuit
11: transformer

Claims (4)

입력 전원;
1차 권선, 2차 권선, 및 누설 인덕턴스를 구비한 변압기;
상기 변압기의 1차측에 연결된 풀 브리지 회로;
상기 입력 전원과 풀 브리지 회로 사이에 연결된 적어도 하나의 소프트 스위칭 회로를 포함하되,
상기 풀 브리지 회로는 제1 노드에서 직렬로 결합되는 제1 및 제2 스위치, 제2 노드에서 직렬로 결합되는 제3 및 제4 스위치를 포함하고, 상기 제1 및 제2 스위치는 상기 입력 전원에 병렬 연결되며, 상기 제3 및 제4 스위치는 상기 입력 전원에 병렬 연결되고, 상기 제1 및 제2 노드의 각각은 상기 변압기의 1차 권선에 전기적으로 결합되며,
상기 제1 및 제2 스위치로 구성된 하나의 하프 브리지와 상기 입력 전원 사이에 하나의 상기 소프트 스위칭 회로가 병렬 연결됨과 동시에 상기 제3 및 제4 스위치로 구성된 다른 하나의 하프 브리지와 상기 입력 전원 사이에 다른 하나의 상기 소프트 스위칭 회로가 병렬 연결되고,
상기 소프트 스위칭 회로는 별도의 구동 전원이 필요하지 않는 수동 소자만으로 구성되어 상기 변압기의 1차측 전류가 부족한 무부하 또는 저부하 조건에서 상기 제1 내지 제4 스위치에 대한 하드 스위칭을 방지하는 것을 특징으로 하는 전부하 소프트 스위칭 회로를 구비한 풀 브리지 컨버터.
input power;
A transformer with a primary winding, a secondary winding, and a leakage inductance;
a full bridge circuit connected to the primary side of the transformer;
At least one soft switching circuit connected between the input power source and the full bridge circuit,
The full bridge circuit includes first and second switches coupled in series at a first node, and third and fourth switches coupled in series at a second node, wherein the first and second switches are connected to the input power. connected in parallel, wherein the third and fourth switches are connected in parallel to the input power source, and each of the first and second nodes is electrically coupled to the primary winding of the transformer,
One soft switching circuit is connected in parallel between one half bridge composed of the first and second switches and the input power supply, and simultaneously between the other half bridge composed of the third and fourth switches and the input power supply. Another of the soft switching circuits is connected in parallel,
The soft switching circuit consists only of passive elements that do not require a separate driving power source, and prevents hard switching of the first to fourth switches under no-load or low-load conditions when the primary side current of the transformer is insufficient. Full bridge converter with full-load soft switching circuitry.
제1항에 있어서,
상기 소프트 스위칭 회로는 한 쌍의 공진 커패시터, 한 쌍의 다이오드, 및 공진 인덕터로 구성되는 것을 특징으로 하는 전부하 소프트 스위칭 회로를 구비한 풀 브리지 컨버터.
According to paragraph 1,
A full bridge converter with a full-load soft switching circuit, characterized in that the soft switching circuit consists of a pair of resonant capacitors, a pair of diodes, and a resonant inductor.
제2항에 있어서,
상기 소프트 스위칭 회로는 상기 컨버터의 데드 타임 구간에서 상기 제1 내지 제4 스위치 중 적어도 어느 하나의 스위치의 기생 커패시터를 충전하고 다른 하나의 스위치의 기생 커패시터를 방전시켜 다른 하나의 스위치의 영전압 스위칭 조건을 생성하는 것을 특징으로 하는 전부하 소프트 스위칭 회로를 구비한 풀 브리지 컨버터.
According to paragraph 2,
The soft switching circuit charges the parasitic capacitor of at least one of the first to fourth switches in the dead time period of the converter and discharges the parasitic capacitor of the other switch to set the zero voltage switching condition of the other switch. A full-bridge converter with a full-load soft switching circuit that generates.
제3항에 있어서,
상기 데드 타임 구간에서 영전압 스위칭에 필요한 에너지를 공진 인덕터에 저장하도록 공진 주기가 설정되며,
상기 공진 주기는 한 쌍의 공진 커패시터와 공진 인덕터에 의해 정해지고 상기 데드 타임 시간보다 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 전부하 소프트 스위칭 회로를 구비한 풀 브리지 컨버터.
According to paragraph 3,
In the dead time section, the resonance period is set to store the energy required for zero voltage switching in the resonance inductor,
A full bridge converter with a full-load soft switching circuit, characterized in that the resonance period is determined by a pair of resonance capacitors and a resonance inductor and is set to be greater than the dead time time.
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