KR20240047770A - Resonant converter and inverter with soft switching function - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공진 전류의 주기의 변동과 관계없이 항상 소프트 스위칭이 가능하도록 하는 공진형 컨버터 또는 인버터를 개시한다. 본 발명의 공진형 컨버터 또는 인버터는 공진형 컨버터 또는 인버터에 흐르는 전류를 검출하여 검출한 신호를 기초로 소프트 스위칭이 가능한 시점을 검출하여 스위치의 게이트 펄스폭을 변조함으로써 부하의 변화, 소자의 기생성분, 출력 전압의 변화 등에 의한 공진 전류의 주기의 변동과 관계없이 항상 소프트 스위칭이 가능할 수 있도록 구성된다.The present invention discloses a resonant converter or inverter that enables soft switching at all times regardless of changes in the period of the resonant current. The resonant converter or inverter of the present invention detects the current flowing in the resonant converter or inverter, detects the point in time when soft switching is possible based on the detected signal, and modulates the gate pulse width of the switch to prevent changes in load and parasitic components of the device. , it is configured so that soft switching is always possible regardless of changes in the period of the resonance current due to changes in output voltage, etc.
Description
본 발명은 공진형 컨버터 및 인버터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 불연속 도통 모드에서 부하의 변화, 소자의 기생 성분 또는 출력 전압의 변화 등에 의한 공진 전류의 주기의 변동과 관계없이 항상 소프트 스위칭이 가능하도록 하는 공진형 컨버터 및 인버터에 관한 것이다.The present invention relates to a resonant converter and an inverter, and more specifically, to enable soft switching at all times in discontinuous conduction mode, regardless of changes in the period of the resonance current due to changes in the load, parasitic components of the device, or changes in the output voltage. It relates to resonant converters and inverters.
불연속 도통 모드의 직렬 공진형 컨버터 또는 인버터는 순수 전류원 특성을 가지는 토폴로지 특성으로 플라즈마, 전기차 충전기 등 다양한 응용분야에서 사용되고 있다. Series resonance converters or inverters in discontinuous conduction mode have topological characteristics with pure current source characteristics and are used in various application fields such as plasma and electric vehicle chargers.
도 1은 통상적인 공진형 컨버터의 구성을 나타내는 블록도로서 통상적인 공진형 컨버터는 입력 DC를 고주파 AC로 변환하기 위한 인버터, 공진탱크, 변압기 및 정류기로 구성되어 있다.Figure 1 is a block diagram showing the configuration of a typical resonant converter. The typical resonant converter consists of an inverter, a resonant tank, a transformer, and a rectifier for converting input DC into high-frequency AC.
도 2는 통상적인 공진형 인버터의 구성을 나타내는 블록도로서 통상적인 공진형 인버터는 정류기를 제외한 인버터, 공진탱크 및 변압기로 구성되어 있다.Figure 2 is a block diagram showing the configuration of a typical resonance inverter. A typical resonance inverter consists of an inverter, a resonance tank, and a transformer excluding a rectifier.
공진형 컨버터 또는 인버터는 토폴로지의 소프트 스위칭 특성으로 인해 스위치에서 발생하는 손실을 크게 줄일 수 있어 고밀도, 고효율 전원장치 설계가 가능하다.Resonant converters or inverters can significantly reduce losses occurring in switches due to the soft switching characteristics of the topology, enabling the design of high-density, high-efficiency power devices.
도 3은 통상적인 공진형 컨버터의 구성을 나타내는 회로도로서 공진형 컨버터는 인덕터(Lr)와 커패시터(Cr)의 공진현상을 이용한다.Figure 3 is a circuit diagram showing the configuration of a typical resonant converter. The resonant converter uses the resonance phenomenon of an inductor (Lr) and a capacitor (Cr).
통상의 컨버터 또는 인버터의 스위칭부는 MOSFET 등의 반도체 스위치로 구현되는 4개의 스위치가 풀브리지 구조로 연결된 인버터로 구성되어 있다.The switching unit of a typical converter or inverter consists of an inverter with four switches implemented as semiconductor switches such as MOSFETs connected in a full-bridge structure.
통상의 컨버터 또는 인버터의 스위칭부의 스위칭 동작에서는 전압과 전류가 스위칭 소자에 따라 일정한 지연과 기울기를 가지고 변화하기 때문에 스위치를 턴온 및 턴오프시키는 경우 스위치에 전압과 전류가 동시에 가해지는 구간(전압과 전류가 겹치는 구간)이 발생하게 되며, 이 구간 동안에는 전압과 전류의 곱(V*I)에 해당하는 스위칭 손실이 발생하게 된다.In the switching operation of the switching unit of a typical converter or inverter, the voltage and current change with a certain delay and slope depending on the switching element, so when turning the switch on and off, the section in which the voltage and current are applied to the switch simultaneously (voltage and current An overlapping section) occurs, and during this section, a switching loss corresponding to the product of voltage and current (V*I) occurs.
상기와 같은 스위칭 손실을 줄이기 위하여 전압이 0인 상태에서 스위칭하는 영전압 스위칭, 전류가 0인 상태에서 스위칭하는 영전류 스위칭, 영전압 스위칭 및 영전류 스위칭을 모두 구현하는 영전압-영전류 스위칭의 방법이 이용되고 있다.In order to reduce the above-mentioned switching losses, zero voltage switching, which switches when the voltage is 0, zero current switching, which switches when the current is 0, and zero voltage-zero current switching, which implements both zero voltage switching and zero current switching. method is being used.
스위칭 손실을 줄이기 위한 영전압 스위칭, 영전류 스위칭 또는 영전압-영전류 스위칭을 구현하기 위하여 변압기의 일차측에 인덕터와 커패시터를 연결하여 LC 공진 현상을 이용하는 부하 공진형 컨버터 또는 인버터를 구성할 수 있다.To implement zero voltage switching, zero current switching, or zero voltage-zero current switching to reduce switching losses, an inductor and capacitor can be connected to the primary side of the transformer to form a load resonance type converter or inverter that uses the LC resonance phenomenon. .
부하 공진형 컨버터 또는 인버터의 스위칭 동작은 스위치를 통해 스위칭하는 주파수에 따라 스위칭 주파수가 인덕터와 커패시터의 공진 주파수 절반보다 낮은 구간에서 스위칭 동작이 이루어지는 불연속 도통 모드와 스위칭 주파수가 공진 주파수 절반보다 높은 구간에서 스위칭 동작이 이루어지는 연속 도통 모드로 구분될 수 있다. The switching operation of a load resonant converter or inverter is a discontinuous conduction mode in which the switching operation occurs in a section where the switching frequency is lower than half the resonance frequency of the inductor and capacitor, depending on the switching frequency through the switch, and in a section where the switching frequency is higher than half the resonant frequency. It can be divided into continuous conduction mode in which switching operation occurs.
불연속 도통 모드의 공진형 컨버터 또는 인버터는 영전압 스위칭을 하기 위하여 스위칭부의 스위치의 역병렬 다이오드가 도통할 때 스위칭이 이루어져야 하고 이를 위해서 스위치 S3과 S4는 공진전류가 음인 구간에서 턴오프(Turn off)되고, 스위치 S1과 S2는 공진전류가 양인 구간에서 턴오프(Turn off)되도록 게이트 신호가 인가되어야 한다.In order to perform zero-voltage switching, a resonant converter or inverter in discontinuous conduction mode must switch when the anti-parallel diode of the switch in the switching unit conducts. For this, switches S3 and S4 are turned off in the section where the resonance current is negative. A gate signal must be applied to switches S1 and S2 so that they turn off in the section where the resonance current is positive.
공진형 컨버터 또는 인버터에서 발생하는 공진 전류의 주기는 공진탱크에 사용되는 커패시터와 인덕터 및 부하 상태에 영향을 받는다.The cycle of the resonance current generated from a resonant converter or inverter is affected by the capacitor and inductor used in the resonant tank and the load condition.
공진형 컨버터 또는 인버터를 플라즈마 응용 산업에 적용할 때 반응기는 방전 개시 전과 후의 임피던스가 변동하여 공진 전류의 파형의 주기가 변동한다. 출력 전압 범위가 넓은 응용 분야에 적용하는 경우에도 출력 전압에 따른 정류기의 출력 커패시터의 변화로 인하여 공진 전류의 주기가 변동될 수 있다.When a resonant converter or inverter is applied to the plasma application industry, the impedance of the reactor changes before and after the start of discharge, and the period of the waveform of the resonant current changes. Even when applied to applications with a wide output voltage range, the period of the resonance current may vary due to changes in the output capacitor of the rectifier depending on the output voltage.
종래에는 일정한 펄스폭의 게이트 신호를 인가해주었는데 이 경우 부하가 변동함에 따라 하드 스위칭이 발생하는 문제가 발생한다.Conventionally, a gate signal with a constant pulse width was applied, but in this case, a problem of hard switching occurred as the load changed.
도 4는 통상적인 공진형 컨버터에서 공진전류의 주기가 변동함에 따라 하드 스위칭이 발생하는 전압과 전류의 파형을 도시한 도면이다.Figure 4 is a diagram showing the waveforms of voltage and current where hard switching occurs as the period of the resonance current changes in a typical resonant converter.
이러한 문제를 해결하기 위하여 공진 전류의 주기 변동에 관계없이 소프트 스위칭이 가능하도록 입력 전압을 검지하여 입력 전압에 따라 스위칭부의 스위치의 게이트 신호의 길이를 변조하는 제어 방법이 개발되었다.To solve this problem, a control method was developed that detects the input voltage and modulates the length of the gate signal of the switch in the switching unit according to the input voltage to enable soft switching regardless of the periodic fluctuation of the resonance current.
도 5는 공진 전류의 주기 변동에 관계없이 소프트 스위칭이 가능하도록 입력 전압을 검출하여 입력 전압에 따라 스위칭부의 스위치의 게이트 신호의 길이를 변조하는 제어기가 포함된 공진형 컨버터의 회로도이다.Figure 5 is a circuit diagram of a resonant converter including a controller that detects the input voltage and modulates the length of the gate signal of the switch of the switching unit according to the input voltage to enable soft switching regardless of the periodic variation of the resonance current.
하지만 이러한 제어방법은 입력 전압에 따라 게이트 신호의 길이를 특정하기 때문에 예측 가능한 상황에서만 적용이 가능하고 특정 부하에 대해 사전 실험을 통해 결과 정보를 알고 있는 경우에만 적용이 가능하고 부하가 바뀌면 사용할 수 없다는 문제가 있다.However, because this control method specifies the length of the gate signal according to the input voltage, it can only be applied in predictable situations, and can only be applied when the result information is known through prior experiments for a specific load, and cannot be used when the load changes. there is a problem.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 부하의 변화, 소자의 기생성분, 출력 전압의 변화 등에 의한 공진 전류의 주기의 변동과 관계없이 소프트 스위칭이 가능한 공진형 컨버터 또는 인버터 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention was developed to solve the above-described conventional problems, and is a resonant converter or inverter control method capable of soft switching regardless of changes in the period of the resonance current due to changes in load, parasitic components of devices, changes in output voltage, etc. The purpose is to provide.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 공진형 컨버터는 스위칭부, LC 공진 회로부, 변압부, 브리지 정류 회로부, 전류검출기 및 제어기를 포함하고, 본 발명에 따른 공진형 인버터는 공진형 컨버터에서 브리지 정류 회로부를 제외한 스위칭부, LC 공진 회로부, 변압부, 전류검출기 및 제어기를 포함한다.In order to achieve the above object, the resonant converter according to the present invention includes a switching unit, an LC resonant circuit unit, a transformer unit, a bridge rectification circuit unit, a current detector, and a controller, and the resonant inverter according to the present invention includes bridge rectification in the resonant converter. It includes a switching part, LC resonance circuit part, transformer part, current detector and controller excluding the circuit part.
스위칭부는 직류 전압을 교번적으로 스위칭하여 교류 전압으로 변환하는 복수의 스위치를 포함한다.The switching unit includes a plurality of switches that alternately switch direct current voltage and convert it into alternating current voltage.
LC 공진 회로부는 스위칭부에 연결되어 직렬 접속된 공진 인덕터와 공진 커패시터의 공진 현상을 이용해 스위칭부에서 전달되는 교류 전압의 주파수 특성을 변환한다.The LC resonance circuit unit is connected to the switching unit and converts the frequency characteristics of the alternating current voltage transmitted from the switching unit using the resonance phenomenon of the resonance inductor and resonance capacitor connected in series.
변압부는 LC 공진 회로부에 연결된 일차측 권선 및 일차측 권선과 소정의 권선비로 구비되는 이차측 권선을 포함한다.The transformer includes a primary winding connected to the LC resonance circuit and a secondary winding provided at a predetermined turns ratio between the primary winding and the primary winding.
브리지 정류 회로부는 변압기의 이차측에 유기된 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 복수의 정류 다이오드를 포함한다.The bridge rectifier circuit unit includes a plurality of rectifier diodes that rectify the alternating current voltage induced in the secondary side of the transformer into a direct current voltage.
전류 검출기는 LC 공진 회로부에 흐르는 공진 전류를 검출한다.The current detector detects the resonance current flowing in the LC resonance circuit.
제어기는 LC 공진 회로부에 흐르는 공진 전류를 검출받아 검출한 신호를 기반으로 소프트 스위칭이 가능한 시점을 검출하여 스위칭부의 복수의 스위치의 게이트 펄스폭을 변조한다.The controller detects the resonance current flowing in the LC resonance circuit unit, detects a point in time when soft switching is possible based on the detected signal, and modulates the gate pulse width of the plurality of switches in the switching unit.
스위칭부의 복수의 스위치의 게이트 펄스폭을 변조하는 제어기는 전류를 검출받아 스위치의 상태에 따라 신호의 반전 유무를 결정하는 SPDT 스위치, 공진 전류가 음의 전류로 시작될 때는 양의 전류로 시작하는 전류 신호가 미분기에 입력되도록 전류 신호를 반전시키는 반전기, 전류 신호의 기울기를 출력하기 위한 미분기, 미분기의 출력을 이용하여 비교기의 기준 전압을 만들어주기 위한 첨두치 검출기 및 전압 분압기, 미분기의 출력 신호가 기준전압에 도달하면 High 신호를 출력하는 비교기, 주파수에 따라 듀티가 50%인 신호를 발생시키는 게이트 신호 발생기 및 비교기의 출력 전압을 이용하여 소프트 스위칭이 가능한 시점에서 게이트 신호를 끊어주는 펄스폭 변조기를 포함한다.The controller that modulates the gate pulse width of the plurality of switches in the switching unit detects the current and determines whether or not the signal is inverted depending on the state of the switch. When the resonance current starts with a negative current, the current signal starts with a positive current. An inverter to invert the current signal so that it is input to the differentiator, a differentiator to output the slope of the current signal, a peak value detector and voltage divider to create the reference voltage of the comparator using the output of the differentiator, the output signal of the differentiator is the reference Includes a comparator that outputs a high signal when the voltage is reached, a gate signal generator that generates a signal with a 50% duty depending on the frequency, and a pulse width modulator that cuts off the gate signal at the point when soft switching is possible using the output voltage of the comparator. do.
본 발명의 구성에 의하면, 본 발명의 공진형 컨버터 또는 인버터는 공진형 컨버터 또는 인버터에 흐르는 전류를 검출하여 검출한 신호를 기초로 소프트 스위칭이 가능한 시점을 검출하여 스위치의 게이트 펄스폭을 변조함으로써 변화하는 공진 전류의 주기에 상관없이 임의의 부하 조건에서도 항상 소프트 스위칭을 가능하도록 하여 스위치의 발열을 저감하고 전원장치의 효율을 향상시킬 수 있게 된다. According to the configuration of the present invention, the resonant converter or inverter of the present invention detects the current flowing in the resonant converter or inverter, detects the point in time when soft switching is possible based on the detected signal, and modulates the gate pulse width of the switch to change it. Regardless of the cycle of the resonant current, soft switching is always possible under any load conditions, thereby reducing heat generation in the switch and improving the efficiency of the power supply.
도 1은 종래의 직렬 공진형 컨버터의 블록도이다.
도 2는 종래의 직렬 공진형 인버터의 블록도이다.
도 3은 종래의 공진형 컨버터 일 실시예의 회로도이다.
도 4는 종래의 공진형 컨버터에서 부하가 변동함에 따라 하드스위칭이 발생하는 공진 전류의 파형을 도시한 도면이다.
도 5는 종래의 공진형 인버터의 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 컨버터의 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 인버터의 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 컨버터 또는 인버터에 포함되어 있는 제어기의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 컨버터 또는 인버터의 제어기 내에서의 신호들의 파형을 도시한 도면이다.1 is a block diagram of a conventional series resonant converter.
Figure 2 is a block diagram of a conventional series resonance type inverter.
Figure 3 is a circuit diagram of an embodiment of a conventional resonant converter.
Figure 4 is a diagram showing the waveform of the resonance current in which hard switching occurs as the load changes in a conventional resonant converter.
Figure 5 is a circuit diagram of a conventional resonance type inverter.
Figure 6 is a circuit diagram of a resonant converter according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a circuit diagram of a resonance-type inverter according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a block diagram of a controller included in a resonant converter or inverter according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a diagram showing waveforms of signals within a controller of a resonant converter or inverter according to an embodiment of the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. The embodiments described below may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described in detail below. Examples of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.
먼저, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 컨버터(1000)의 회로도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 인버터(1100)의 회로도이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 컨버터(1000) 또는 인버터(1100)의 제어기의 블록도이다.First, FIG. 6 is a circuit diagram of a resonant converter 1000 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a circuit diagram of a resonant inverter 1100 according to an embodiment of the present invention. Figure 8 is a block diagram of a controller of the resonant converter 1000 or inverter 1100 according to an embodiment of the present invention.
이하에서. 도 6 내지 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 컨버터(1000) 또는 인버터(1100)에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.Below. With reference to FIGS. 6 to 8 , the resonant converter 1000 or inverter 1100 according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 컨버터(1000)는 스위칭부(100), LC 공진 회로부(200), 변압부(300), 브리지 정류 회로부(400), 전류 검출기(500) 및 제어기(600)를 포함한다. As shown in FIG. 6, the resonant converter 1000 according to an embodiment of the present invention includes a switching unit 100, an LC resonance circuit unit 200, a transformer unit 300, a bridge rectifier circuit unit 400, and a current It includes a detector 500 and a controller 600.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 인버터(1100)는 공진형 컨버터에서 브리지 정류 회로부를 제외한 스위칭부(100), LC 공진 회로부(200), 변압부(300), 전류 검출기(500) 및 제어부(600)를 포함한다.As shown in FIG. 7, the resonant inverter 1100 according to an embodiment of the present invention includes a switching unit 100, an LC resonance circuit unit 200, and a transformer unit 300 excluding the bridge rectification circuit unit in the resonant converter. , includes a current detector 500 and a control unit 600.
공진형 컨버터(1000)와 공진형 인버터(1100)는 정류 회로부의 포함 유무만 차이가 있으므로 이하에서는 공진형 컨버터(1000)를 기준으로 설명한다.Since the only difference between the resonant converter 1000 and the resonant inverter 1100 is whether or not a rectifier circuit part is included, the following description will be based on the resonant converter 1000.
도 6의 공진형 컨버터(1000)는 스위칭 주파수가 LC 공진 회로부(200)의 공진 주파수의 1/2 이하로 동작하여 공진 전류가 불연속으로 동작한다.The resonant converter 1000 of FIG. 6 operates at a switching frequency less than 1/2 of the resonant frequency of the LC resonant circuit unit 200, so that the resonant current operates discontinuously.
본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭부(100)는 직류 전압을 교번적으로 스위칭하여 교류 전압으로 변환하는 복수의 스위치(S1~S4)를 포함한다.The switching unit 100 according to an embodiment of the present invention includes a plurality of switches (S1 to S4) that alternately switch direct current voltage and convert it into alternating current voltage.
본 발명의 일 실시예에 따른 LC 공진 회로부(200)는 스위칭부(100)에 연결되어 직렬 접속된 공진 인덕터(Lr)와 공진 커패시터(Cr)의 공진 현상을 이용해 스위칭부(100)에서 전달되는 교류 전압의 주파수 특성을 변환한다.The LC resonance circuit unit 200 according to an embodiment of the present invention is connected to the switching unit 100 and uses the resonance phenomenon of the resonance inductor (Lr) and the resonance capacitor (Cr) connected in series to transmit energy from the switching unit 100. Converts the frequency characteristics of alternating voltage.
본 발명의 일 실시예에 따른 변압부(300)는 LC 공진 회로부(200)에 연결된 일차측 권선 및 일차측 권선과 소정의 권선비로 구비되는 이차측 권선을 포함한다.The transformer unit 300 according to an embodiment of the present invention includes a primary winding connected to the LC resonance circuit unit 200 and a secondary winding provided at a predetermined turns ratio between the primary winding and the primary winding.
본 발명의 일 실시예에 따른 브리지 정류 회로부(400)는 변압기의 이차측에 유기된 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 복수의 정류 다이오드(D5~D8)를 포함한다.The bridge rectifier circuit unit 400 according to an embodiment of the present invention includes a plurality of rectifier diodes D5 to D8 that rectify the alternating current voltage induced in the secondary side of the transformer into a direct current voltage.
본 발명의 일 실시예에 따른 전류 검출기(500)는 LC 공진 회로부(200)에 흐르는 공진 전류를 검출하여 대응되는 전류 신호를 검출한다.The current detector 500 according to an embodiment of the present invention detects a resonance current flowing in the LC resonance circuit unit 200 and detects a corresponding current signal.
본 발명의 일시예에 따른 제어기(600)는 전류 검출기(500)에 의해 검출된 공진 전류의 전류 신호를 기반으로 소프트 스위칭이 가능한 시점을 검출하여 LC 공진 회로부(200)에 흐르는 공진 전류가 음인 구간에서는 역병렬 다이오드 D3 및 D4가 도통되는 스위치 S3 및 S4가 턴오프(Turn off)되도록 게이트 신호를 변조하고, 공진 전류가 양인 구간에서는 역병렬 다이오드 D1 및 D2가 도통되는 스위치 S1 및 S2가 턴오프(Turn off)되도록 게이트 신호를 변조한다.The controller 600 according to an embodiment of the present invention detects a point in time when soft switching is possible based on the current signal of the resonance current detected by the current detector 500, and detects a section in which the resonance current flowing through the LC resonance circuit unit 200 is negative. The gate signal is modulated so that switches S3 and S4, through which the anti-parallel diodes D3 and D4 are conducted, are turned off, and in the section where the resonance current is positive, switches S1 and S2, through which the anti-parallel diodes D1 and D2 are conducted, are turned off. Modulate the gate signal so that it turns off.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(600)는 소프트 스위칭이 가능한 시점을 검출하기 위하여 전류 검출기(500)에 의해 검출된 LC 공진 회로부(200)의 공진 전류의 전류 신호를 미분하여 출력한다.More specifically, the controller 600 according to an embodiment of the present invention differentiates the current signal of the resonance current of the LC resonance circuit unit 200 detected by the current detector 500 to detect the point in time when soft switching is possible. Print out.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(600)는 미분하여 출력한 전류 신호의 첨두치 값을 검출한다. The controller 600 according to an embodiment of the present invention differentiates and detects the peak value of the output current signal.
미분하여 출력한 전류 신호의 두번째 첨두값을 가지는 시점이 공진 전류의 전류 신호가 음에서 0으로 변하는 시점에 해당하므로 발명의 일 실시예에 따른 제어기(600)는 미분된 전류 신호의 두번째 첨두값을 가지기 이전 구간에서 양의 값을 가지는 임의의 시점을 소프트 스위칭이 가능한 시점으로 검출한다. Since the point in time at which the second peak value of the differentiated and output current signal corresponds to the point in time when the current signal of the resonance current changes from negative to 0, the controller 600 according to an embodiment of the invention uses the second peak value of the differentiated current signal. Any point in time with a positive value in the section before switching is detected as a point in time when soft switching is possible.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(600)는 미분한 전류 신호의 첨두치 값을 분압하여 두번째 첨두치 값에 도달하기 전의 임의의 값을 기준전압으로 만들어 미분한 전류 신호가 기준전압에 도달하는 시점을 소프트 스위칭이 가능한 시점으로 검출하여 스위치의 게이트 신호의 펄스폭을 변조함으로써 부하의 변화 또는 출력 전압의 변화 등에 의해 공진 전류의 주기가 변동되더라도 항상 소프트 스위칭이 가능하도록 한다. The controller 600 according to an embodiment of the present invention divides the peak value of the differentiated current signal and makes an arbitrary value before reaching the second peak value as the reference voltage, so that the differentiated current signal reaches the reference voltage. By detecting a point in time at which soft switching is possible and modulating the pulse width of the switch's gate signal, soft switching is always possible even if the period of the resonance current changes due to a change in load or output voltage.
보다 구체적으로 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(600)는 SPDT 스위치(610), 반전기(620), 미분기(630), 첨두치 검출기(640), 전압 분압기(650), 비교기(660), 게이트 신호 발생기(670) 및 펄스폭 변조기(680)를 포함한다.More specifically, as shown in FIG. 8, the controller 600 according to an embodiment of the present invention includes an SPDT switch 610, an inverter 620, a differentiator 630, a peak value detector 640, and a voltage It includes a voltage divider 650, a comparator 660, a gate signal generator 670, and a pulse width modulator 680.
도 9는 도 7의 공진형 컨버터 및 도 8의 공진형 인버터의 제어기(600) 내에서의 신호들의 파형을 도시한 도면이다.FIG. 9 is a diagram showing waveforms of signals within the controller 600 of the resonant converter of FIG. 7 and the resonant inverter of FIG. 8.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(600)의 SPDT 스위치(610)는 게이트 신호발생기의 신호를 이용하여 공진 전류의 전류 신호(VISEN)가 양의 전류로 시작하는 경우 전류 신호를 그대로 출력(VISEN_P1)하고, 공진 전류가 음의 전류로 시작하는 경우 전류 신호를 반전기(620)로 연결한다(VISEN_N).The SPDT switch 610 of the controller 600 according to an embodiment of the present invention uses the signal of the gate signal generator to output the current signal as is when the current signal (V ISEN ) of the resonance current starts with a positive current ( V ISEN_P1 ), and when the resonance current starts with a negative current, the current signal is connected to the inverter 620 (V ISEN_N ).
보다 구체적으로 공진 전류의 전류 신호(VISEN)가 양의 전류로 시작하는 경우 스위치 S1의 게이트 신호 발생기(670)는 Low 신호(VO_S1)를 발생시키고, 공진 전류의 전류 신호(VISEN)가 음의 전류로 시작하는 경우 스위치 S1의 게이트 신호 발생기(670)는 High 신호(VO_S1)를 발생시킨다.More specifically, when the current signal (V ISEN ) of the resonance current starts with a positive current, the gate signal generator 670 of switch S1 generates a Low signal (V O_S1 ), and the current signal (V ISEN ) of the resonance current When starting with a negative current, the gate signal generator 670 of switch S1 generates a high signal (V O_S1 ).
제어기(600)의 SPDT 스위치(610)는 스위치 S1의 게이트 신호 발생기(670)의 게이트 신호(VO_S1)가 Low이면 공진 전류의 전류 신호를 그대로 출력하고, 스위치 S1의 게이트 신호 발생기(670)의 게이트 신호(VO_S1)가 High이면 공진 전류의 전류 신호를 반전기(620)로 연결한다.The SPDT switch 610 of the controller 600 outputs the current signal of the resonance current as it is when the gate signal (V O_S1 ) of the gate signal generator 670 of switch S1 is low, and the gate signal generator 670 of switch S1 When the gate signal (V O_S1 ) is high, the current signal of the resonance current is connected to the inverter 620.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(600)의 반전기(620)는 검출한 전류 신호가 음의 전류로 시작되는 경우, 양의 전류로 시작하는 전류 신호가 미분기에 입력될 수 있도록 전류 신호를 반전시킨다(VISEN_P2). When the detected current signal starts with a negative current, the inverter 620 of the controller 600 according to an embodiment of the present invention inverts the current signal so that a current signal starting with a positive current can be input to the differentiator. Invert (V ISEN_P2 ).
본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(600)의 미분기(630)는 입력된 전류 신호((VISEN_P1, VISEN_P2)를 미분하여 기울기를 출력한다(VDiff). The differentiator 630 of the controller 600 according to an embodiment of the present invention differentiates the input current signal ((V ISEN_P1, V ISEN_P2 ) and outputs a slope (V Diff ).
본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(600)의 첨두치 검출기(640)는 미분된 전류 신호(VDiff)의 첨두치(VPeak)를 검출한다. 입력된 전류 신호가 0에서 양으로 변하는 시점(t0)과 음에서 0으로 변하는 시점(t2)이 첨두치로 검출된다.The peak detector 640 of the controller 600 according to an embodiment of the present invention detects the peak value (V Peak ) of the differentiated current signal (V Diff ). The point at which the input current signal changes from 0 to positive (t 0) and the point at which it changes from negative to 0 (t 2) are detected as peak values.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(600)의 전압 분압기(650)는 미분된 전류 신호(VDiff)의 t0 시점에서의 첨두치(VPEAK)값을 분압하여 기준전압(Vref)을 만든다.The voltage divider 650 of the controller 600 according to an embodiment of the present invention divides the peak value (V PEAK ) at time t 0 of the differentiated current signal (V Diff ) to set the reference voltage (V ref ). make it
본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(600)의 비교기(660)는 미분된 전류 신호(VDiff)가 기준전압(Vref)에 도달하는 시점(t1)부터 두번째 첨두치 값에 도달하는 시점(t2)까지 High 신호를 발생시킨다(Vcout). The comparator 660 of the controller 600 according to an embodiment of the present invention operates from the time when the differentiated current signal (V Diff ) reaches the reference voltage (V ref ) (t 1 ) to the time when it reaches the second peak value. Generates a high signal until (t 2 ) (V cout ).
본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(600)의 게이트 신호 발생기(670)는 주파수에 따라 50% 듀티의 상보 신호를 발생시켜 펄스폭 변조기에 입력한다. The gate signal generator 670 of the controller 600 according to an embodiment of the present invention generates a complementary signal with 50% duty depending on the frequency and inputs it to the pulse width modulator.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(600)의 펄스폭 변조기(680)는 비교기의 출력 신호(Vcout) 및 게이트 신호 발생기의 신호를 입력받아 비교기의 출력 신호가 High인 시점(t1)을 소프트 스위칭이 가능한 시점으로 검출하여 입력된 게이트 신호 발생기의 신호를 Low로 변환함으로써 상기 게이트 신호 발생기의 신호를 변조하여 최종 게이트 신호로 출력한다. The pulse width modulator 680 of the controller 600 according to an embodiment of the present invention receives the output signal of the comparator (V cout ) and the signal of the gate signal generator and determines the point in time (t 1 ) when the output signal of the comparator is high. By detecting a time when soft switching is possible and converting the input signal of the gate signal generator to Low, the signal of the gate signal generator is modulated and output as the final gate signal.
100 : 스위칭부
200 : LC 공진회로부
300 : 변압부
400 : 브리지 정류회로부
500 : 전류검출기
600 : 제어기
610 : SPDT 스위치
620 : 반전기
630 : 미분기
640 : 첨두치 검출기
650 : 분압기
660 : 비교기
670 : 게이트 신호 발생기
680 : 펄스폭 변조기
S1~S4 : 스위치
C1~C4 : 커패시터
D1~D4 : 역병렬 다이오드
D5~D8 : 정류 다이오드
Cr : 공진 커패시터
Lr : 공진 인덕터
Tr : 변압기100: switching unit
200: LC resonance circuit unit
300: Transformer part
400: Bridge rectifier circuit
500: Current detector
600: Controller
610: SPDT switch
620: reverse machine
630: Differentiator
640: Peak detector
650: voltage divider
660: comparator
670: Gate signal generator
680: pulse width modulator
S1~S4: Switch
C1~C4: Capacitor
D1~D4: Anti-parallel diode
D5~D8: Rectifier diode
Cr: resonance capacitor
Lr: Resonant inductor
Tr: transformer
Claims (7)
상기 스위칭부에 연결되어 직렬 접속된 공진 인덕터와 공진 커패시터의 공진 현상을 이용해 스위칭부에서 전달되는 교류 전압의 주파수 특성을 변환하는 LC 공진 회로부;
상기 LC 공진 회로부에 연결된 일차측 권선 및 상기 일차측 권선과 소정의 권선비로 구비되는 이차측 권선을 포함하는 변압부;
상기 변압기의 이차측에 유기된 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 복수의 정류 다이오드를 포함하는 브리지 정류 회로부;
상기 LC 공진 회로부에 흐르는 공진 전류를 검출하고, 검출된 공진 전류에 대응되는 전류 신호를 출력하는 전류 검출기; 및
상기 전류 검출기에 의해 검출된 전류 신호를 기반으로 소프트 스위칭이 가능한 시점을 검출하여 상기 스위칭부의 상기 복수의 스위치의 게이트 펄스폭을 변조하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 컨버터.A switching unit including a plurality of switches that alternately switch direct current voltage and convert it into alternating current voltage:
an LC resonance circuit unit that is connected to the switching unit and converts the frequency characteristics of the alternating current voltage transmitted from the switching unit using a resonance phenomenon of a resonance inductor and a resonance capacitor connected in series;
a transformer including a primary winding connected to the LC resonance circuit unit and a secondary winding provided at a predetermined turns ratio with the primary winding;
a bridge rectifier circuit unit including a plurality of rectifier diodes that rectify the alternating current voltage induced on the secondary side of the transformer into a direct current voltage;
a current detector that detects a resonance current flowing in the LC resonance circuit unit and outputs a current signal corresponding to the detected resonance current; and
A resonant converter comprising a controller that modulates gate pulse widths of the plurality of switches of the switching unit by detecting a point in time when soft switching is possible based on the current signal detected by the current detector.
상기 제어기는,
상기 전류 검출기에 의해 검출된 공진 전류의 전류 신호가 양의 기울기로 시작하는 전류 신호로 입력될 수 있도록 전류 신호의 반전 유무를 결정하는 SPDT 스위치;
상기 공진 전류의 전류 신호가 음의 전류로 시작될 때는 전류 신호를 반전시키는 반전기;
상기 SPDT 스위치 또는 상기 반전기로부터 입력받은 공진 전류의 전류 신호의 기울기를 출력하는 미분기;
상기 미분기에서 출력된 전류 신호의 첨두치 값을 검출하는 첨두치 검출기;
상기 미분기에서 출력된 전류 신호의 첨두치 값을 이용하여 비교기의 기준전압을 만들어주는 전압 분압기;
상기 미분기에서 출력된 전류 신호가 기준전압에 도달하면 High 신호를 발생시키는 비교기;
주파수에 따라 듀티가 50%인 전류 신호를 발생시켜주는 게이트 신호 발생기;및
상기 비교기에 연결되어 상기 비교기의 출력 신호를 입력받고, 상기 게이트 신호 발생기의 전류 신호를 입력받으며,
상기 비교기의 출력 신호가 High인 시점을 소프트 스위칭이 가능한 시점으로 검출하여 상기 게이트 신호 발생기의 신호를 Low로 변환함으로써 상기 게이트 신호 발생기의 신호를 변조하여 최종 게이트 신호로 출력하는 펄스폭 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 컨버터.According to paragraph 1,
The controller is,
an SPDT switch that determines whether or not the current signal is inverted so that the current signal of the resonance current detected by the current detector can be input as a current signal starting with a positive slope;
an inverter that inverts the current signal when the current signal of the resonance current starts as a negative current;
a differentiator that outputs a slope of a current signal of the resonance current input from the SPDT switch or the inverter;
a peak value detector that detects the peak value of the current signal output from the differentiator;
a voltage divider that creates a reference voltage of the comparator using the peak value of the current signal output from the differentiator;
A comparator that generates a High signal when the current signal output from the differentiator reaches a reference voltage;
A gate signal generator that generates a current signal with a duty of 50% depending on the frequency; and
Connected to the comparator to receive an output signal from the comparator and a current signal from the gate signal generator,
A pulse width modulator that detects the time when the output signal of the comparator is high as a time when soft switching is possible and converts the signal of the gate signal generator to low, thereby modulating the signal of the gate signal generator and outputting it as a final gate signal. A resonant converter characterized in that.
상기 스위칭부의 스위치의 스위칭 주파수는 상기 LC 공진 회로부의 공진 주파수의 1/2 이하로 동작하여 공진전류가 불연속으로 동작하는 것을 특징으로 하는 공진형 컨버터.According to paragraph 1,
A resonant converter, characterized in that the switching frequency of the switch of the switching unit operates at 1/2 or less of the resonance frequency of the LC resonance circuit unit, so that the resonance current operates discontinuously.
상기 SPDT 스위치는 입력된 공진 전류가 양의 전류로 공진이 시작될 때는 전류 신호를 그대로 출력하고, 입력된 공진 전류가 음의 전류로 시작될 때는 전류 신호를 반전기로 연결하는 것을 특징으로 하는 공진형 컨버터. According to paragraph 2,
The SPDT switch outputs a current signal as is when the input resonance current starts to resonate as a positive current, and connects the current signal to an inverter when the input resonance current starts to resonate as a negative current.
상기 펄스폭 변조기는 상기 비교기의 출력이 High로 발생되었을때 상기 게이트 신호 발생기의 게이트 신호를 끊어 최종 게이트 신호를 만드는 것을 특징으로 하는 공진형 컨버터.According to paragraph 2,
The pulse width modulator is a resonant converter characterized in that when the output of the comparator is generated high, the gate signal of the gate signal generator is cut off to create a final gate signal.
상기 스위칭부에 연결되어 직렬 접속된 공진 인덕터와 공진 커패시터의 공진 현상을 이용해 스위칭부에서 전달되는 교류 전압의 주파수 특성을 변환하는 LC 공진 회로부와;
상기 LC 공진 회로부에 연결된 일차측 권선 및 상기 일차측 권선과 소정의 권선비로 구비되는 이차측 권선을 포함하는 변압기;
상기 공진 회로부에 흐르는 공진 전류를 검출하는 전류 검출기; 및
상기 공진 회로부에 흐르는 공진 전류를 검출받아 검출한 신호를 기반으로 소프트 스위칭이 가능한 시점을 검출하여 상기 스위칭부의 상기 복수의 스위치의 게이트 펄스폭을 변조하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 인버터.A switching unit including a plurality of switches that alternately switch direct current voltage and convert it into alternating current voltage:
an LC resonance circuit unit that is connected to the switching unit and converts the frequency characteristics of the alternating current voltage transmitted from the switching unit using a resonance phenomenon of a resonance inductor and a resonance capacitor connected in series;
A transformer including a primary winding connected to the LC resonance circuit unit and a secondary winding provided at a predetermined turns ratio with the primary winding;
a current detector that detects a resonance current flowing through the resonance circuit unit; and
A resonance type inverter comprising a controller that detects a resonance current flowing in the resonance circuit unit, detects a point in time when soft switching is possible based on the detected signal, and modulates gate pulse widths of the plurality of switches in the switching unit.
상기 제어기는,
상기 공진 회로부에 흐르는 공진 전류를 검출받아 양의 기울기로 시작하는 신호가 입력될 수 있도록 신호의 반전 유무를 결정하는 SPDT 스위치;
상기 공진 전류가 음의 전류로 시작될 때는 양의 전류가 미분기에 입력되도록 신호를 반전시키는 반전기;
상기 공진 전류의 기울기를 출력하기 위한 미분기;
상기 미분기의 출력 신호가 기준전압에 도달하면 High 신호를 출력하는 비교기;
상기 미분기의 출력의 첨두치 값을 검출하는 첨두치 검출기;
상기 미분기의 출력에서 검출된 첨두치 값을 분압하여 상기 비교기의 기준전압을 만들어는 전압 분압기;
주파수에 따라 듀티가 50%인 신호를 발생시켜주는 게이트 신호 발생기;및
비교기의 출력전압을 이용하여 소프트 스위칭이 가능한 시점에서 게이트를 끊어주는 펄스폭 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 인버터.
According to clause 6,
The controller is,
an SPDT switch that detects the resonance current flowing in the resonance circuit unit and determines whether or not the signal is inverted so that a signal starting with a positive slope can be input;
When the resonance current starts as a negative current, an inverter inverts the signal so that a positive current is input to the differentiator;
a differentiator for outputting a slope of the resonance current;
A comparator that outputs a High signal when the output signal of the differentiator reaches the reference voltage;
a peak value detector that detects the peak value of the output of the differentiator;
a voltage divider that divides the peak value detected from the output of the differentiator to create a reference voltage of the comparator;
A gate signal generator that generates a signal with a duty of 50% depending on the frequency; and
A resonant inverter characterized by including a pulse width modulator that turns off the gate at a point when soft switching is possible using the output voltage of the comparator.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220127222A KR20240047770A (en) | 2022-10-05 | 2022-10-05 | Resonant converter and inverter with soft switching function |
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR101000561B1 (en) | 2010-07-21 | 2010-12-14 | 주식회사 코디에스 | Series resonant converter |
| KR20220063898A (en) | 2020-11-11 | 2022-05-18 | 한국전기연구원 | Resonant inverter and control system of the same |
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2022
- 2022-10-05 KR KR1020220127222A patent/KR20240047770A/en unknown
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