KR100199508B1 - A zero-crossing voltage/current circuit for full-bridge dc/dc converter - Google Patents

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Abstract

본 발명은 종래와는 달리 별도의 포화리액터나 능동소자를 사용하지 않고 2차측의 수동소자만으로써 소수캐리어(carrier)소자로 구성되는 스위칭소자에 대해서도 영전압/영전류 스위칭이 가능하도록 한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로에 관한 것으로서, 본 발명이 설치된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터가, 풀 브릿지의 스위치(S1,S2,S3,S4)의 개폐 동작에 따라 1차측의 전류와 전압을 2차측과 3차측에 유도하는 변압기(T); 2차측에서 전류를 일방향으로 흐르도록 하는 풀 브릿지를 구성하는 다이오드(D1,D2,D3,D4); 2차측의 출력필터(LO,CO) 및 인가된 부하(RO);와 본 발명에 따른 구성요소로서 상기 변압기(T)의 3차측에 연결되어 전류를 정류하는 풀 브릿지 정류기(BD100); 상기 정류기(BD100)의 출력단과 접지사이에 연결되는 캐패시터(C100); 상기 정류기(BD100)의 출력단과 2차측의 출력단사이에 연결되는 다이오드(D100);를 포함하여 구성되도록 하여 영전압/영전류 스위칭을 이루게 함으로써, 본 발명에 따른 회로가 설치되는 풀 브릿지 DC/DC 컨버터는 포화 리액터와 같은 손실성 부품이나 능동소자와 같은 고가의 부품을 포함하지 않도록 하여 저원가로 구현할 수 있도록 하고, 또한 대용량화가 용이해서 대용량 고주파 스위칭의 DC/DC 컨버터 분야에서도 널리 사용될 수 있도록 하는 매우 경제적이고 유용한 발명인 것이다.The present invention is different from the prior art in that a full bridge that allows zero voltage / zero current switching is possible even for a switching element composed of a small number of carrier elements by only a passive element of the secondary side without using a separate saturated reactor or an active element The present invention relates to a circuit for switching between zero voltage and zero current of a DC / DC converter. The full bridge DC / A transformer (T) for inducing the current and voltage of the transformer to the secondary side and the tertiary side; Diodes (D1, D2, D3, D4) constituting a full bridge for allowing current to flow in one direction on the secondary side; An output filter on the secondary side (L O, C O), and the applied load (R O); and the full-bridge rectifier (BD100) which is connected to the third winding of the transformer (T) rectifies the current as a component according to the invention ; A capacitor C100 connected between the output terminal of the rectifier BD100 and the ground; And a diode (D100) connected between the output terminal of the rectifier (BD100) and the output terminal of the secondary side, so that zero voltage / zero current switching is performed. Thus, the full bridge DC / The converter can be realized at a low cost by not including lossy parts such as a saturated reactor and expensive parts such as active elements, and is also widely used in a DC / DC converter of a large capacity high frequency switching It is an economical and useful invention.

Description

풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로Circuit for zero voltage / zero current switching of full bridge DC / DC converters

본 발명은 풀 브릿지(Full-Bridge) DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래와는 달리 별도의 포화리액터나 능동소자를 사용하지 않고 2차측의 수동소자만을 사용하여 소수 캐리어(carrier)소자로 구성되는 스위칭소자에 대해서도 영전압/영전류 스위칭이 가능하도록 한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로에 관한 것이다.The present invention relates to a circuit for zero voltage / zero current switching of a full-bridge DC / DC converter, and more particularly, To a circuit for zero voltage / zero current switching of a full bridge DC / DC converter capable of zero voltage / zero current switching even for a switching element composed of a small number of carrier elements using only passive elements.

전력용 반도체소자의 스위칭 동작에서는 전압과 전류가 소자에 따라 일정한 지연과 기울기를 가지고 변화하기 때문에 스위치를 단락(이하, 턴온(Turn-On)이라 함) 또는 개방(이하, 턴오프(Turn-Off)라 함)시키게 되면 스위치에 전압과 전류가 동시에 가해지는 구간이 발생하게 되며 따라서, 이 구간동안에는 전압과 전류의 곱에 해당하는 스위칭의 전력손실이 발생하게 된다. 특히, 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)나 게이트 턴오프 사이리스터(GTO:Gate Turn Off Thyristor)와 같은 소자는 제6도에서 보는 바와 같이 턴오프시에 꼬리(tail)전류가, 스위치의 양단에 전압이 충분히 가해진 후에도 일정구간('L'로 표시된 구간)동안 흐르기 때문에 턴오프시의 스위칭손실이 매우 크다.In the switching operation of the power semiconductor device, since the voltage and current vary with a constant delay and slope depending on the device, the switch is short-circuited (hereinafter referred to as turn-on) or open (hereinafter referred to as turn-off ), The voltage and current are applied to the switch at the same time. Therefore, power loss of switching corresponding to the product of voltage and current occurs during this interval. Particularly, an element such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) or a gate turn off thyristor (GTO) has a structure in which, as shown in FIG. 6, The switching loss at the time of turn-off is very large because the current flows during a certain period (a period denoted by "L") even after the voltage is sufficiently applied to both ends of the switch.

상기와 같은 스위칭손실은 소자가 개폐되는 주파수에 비례해서 증가하기 때문에 소자의 최대 스위칭 주파수를 제한하는 요소가 된다. 따라서, 이러한 특성을 갖은 소자들의 스위칭손실을 줄이고 고주파의 스위칭을 가능하게 하려면 제7도의 (a)와 같은 영전압 스위칭이나 제7도의 (b)와 같은 영전류 스위칭의 방법을 사용하여야 한다. 영전압 스위칭은 스위칭소자와 역병렬로 연결된 다이오드가 환류전류에 의해 도통되어 스위칭소자 양단의 전압이 영이 된 후 턴온하게 되면 제7도의 (a)에서 보는 바와 같이 스위칭에 따른 전력손실은 완전히 제거된다. 그러나, 스위칭소자가 턴오프할 때는 제6도의 하드스위칭(Hard-Switching)의 경우와 같아서 손실이 줄어들지 않는다. 이러한 손실을 제거하기 위해 스위칭소자의 양단에 스너버(snubber) 캐패시터(capacitor)를 연결하면 제7도의 (b)에서 보는 바와 같이 전압증가 속도가 저하되어 전류가 감소하는 구간동안의 전력손실은 줄어들게 된다.Since the switching loss increases in proportion to the frequency at which the device is opened and closed, it is a factor limiting the maximum switching frequency of the device. Therefore, to reduce the switching losses of devices with these characteristics and enable high frequency switching, the zero voltage switching method as shown in Figure 7 (a) or the zero current switching method as shown in Figure 7 (b) should be used. In the zero-voltage switching, when the diode connected in anti-parallel with the switching element is turned on after the voltage across both ends of the switching element is turned on due to conduction by the return current, power loss due to switching is completely eliminated as shown in FIG. 7 (a) . However, when the switching element is turned off, the loss is not reduced because it is the same as in Hard-Switching of FIG. 6. If a snubber capacitor is connected to both ends of the switching element to eliminate this loss, as shown in FIG. 7 (b), the voltage increase rate decreases and the power loss during the current decrease period is reduced do.

영전류 스위칭은 제7도의 (b)에서 보는 바와 같이 스위칭소자에 흐르는 전류가 영일 때 스위칭소자를 턴오프하게 되는 데, 이 때는 꼬리전류를 형성하는 축적된 소수 캐리어가 모두 사라진 뒤이므로 턴오프에 의한 전력손실은 발생하지 않게 되는 것이다. 그러나, 턴온시에는 일반적으로 제6도의 하드스위칭과 같아서 다이오드의 역회복 시간에 의한 손실이 있으나 풀 브릿지 DC/DC 컨버터에서는 다이오드가 역회복되는 경우가 발생하지 않기 때문에 턴온할 때도 손실은 거의 발생하지 않는다. 따라서, 풀 브릿지 DC/DC 컨버터에 있어서는 영전류 스위칭이 영전압 스위칭보다 약간 유리함을 알 수 있다.In the zero current switching, as shown in (b) of FIG. 7, when the current flowing through the switching element is zero, the switching element is turned off. In this case, since the accumulated minority carriers forming the tail current have disappeared, The power loss caused by the power consumption is not generated. However, at the time of turn-on, there is generally a loss due to the reverse recovery time of the diode because it is the same as the hard switching of FIG. 6, but the diode is not recovered in the full bridge DC / DC converter. Do not. Therefore, it can be seen that the zero-current switching is slightly advantageous for zero-voltage switching in a full-bridge DC / DC converter.

현재, 대용량 고주파 스위칭 용도에 영전압 스위칭의 풀 브릿지 DC/DC 컨버터가 널리 사용되고 있으나, 영전압 스위칭이 되는 부하범위가 좁아서 스위칭소자와 병렬로 큰 스너버 캐패시터를 연결할 수가 없으므로 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)나 게이트 턴오프 사이리스트(GTO )와 같은 소수 캐리어 소자를 사용하여 고주파 스위칭을 하는 데는 스위칭손실에 따른 어려움이 많다.At present, full-bridge DC / DC converters of zero voltage switching are widely used for large capacity high frequency switching applications. However, since a load range for zero voltage switching is narrow, a large snubber capacitor can not be connected in parallel with the switching device. ) Or a gate turn-off ring (GTO) in a high-frequency switching operation is difficult due to the switching loss.

이러한 문제를 해결하기 위해 절연게이트 바이폴라 트랜지스터나 게이트 턴오프 사이리스트와 같은 소수 캐리어 소자에 대해서도 고주파 스위칭이 가능하도록 한 제5도와 같은 영전압 스위칭과 영전류 스위칭이 혼합된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터들이 제안되어 사용되고 있다.In order to solve this problem, full bridge DC / DC converters in which the zero-voltage switching and the zero-current switching are mixed, such as the fifth aspect, in which high frequency switching is enabled also for a small number of carrier elements such as insulated gate bipolar transistors and gate turn- Have been proposed and used.

제5도의 풀 브릿지 DC/DC 컨버터에서는, 1차측의 왼쪽 레그(S1,S3)는 영전압 스위칭을 수행하고, 오른쪽 레그(S2,S4)는 영전류 스위칭을 넓은 부하범위에서 수행하여 절연게이트 바이폴라 트랜지스터나 게이트 턴오프 사이리스터와 같은 턴오프시 꼬리전류 특성을 갖는 소자들에 대해서도 고주파 스위칭이 가능하게 되며 환류모드시에는 2차측 전류가 1차측을 통해서 환류하지 않고 2차측 정류소자(D1,D2,D3,D4)를 통해서 환류하기 때문에 1차측 스위칭소자(S1,S2,S3,S4) 및 변압기(T)에 의한 도통손실이 감소하게 된다.In the full bridge DC / DC converter of FIG. 5, the left legs S1 and S3 of the primary side perform the zero voltage switching and the right legs S2 and S4 perform the zero current switching in the wide load range, Frequency switching can be performed even for devices having a tail current characteristic at the time of turn-off such as a transistor or a gate turn-off thyristor. In the reflux mode, the secondary side current does not flow back through the primary side and the secondary side rectifying devices D1, D3 and D4 so that the conduction losses due to the primary side switching elements S1, S2, S3 and S4 and the transformer T are reduced.

그러나, 제5도와 같이 구성되는 풀 브릿지 영전압/영전류 DC/DC 컨버터들은 각각의 문제점을 가지고 있는 바, 제5도의 (a)에 도시된 컨버터회로는 1차측에 포화 리액터(SR)를 포함함으로써 부가적인 전력손실과 포화리액터(SR)를 냉각 시켜야 하는 문제점이 있는 것이며,However, the full bridge zero voltage / zero current DC / DC converters constructed as in the fifth aspect have respective problems, and the converter circuit shown in FIG. 5 (a) includes a saturated reactor SR on the primary side There is a problem that the additional power loss and the saturated reactor (SR) must be cooled,

(b)에 도시된 컨버터회로는 2차측 회로에 능동소자가 포함됨으로써 원가가 상승되는 문제점 및 이 능동소자를 제어하기 위한 별도의 제어회로가 필요한 문제점이 있는 것이며,the converter circuit shown in FIG. 6B has a problem that the cost is increased by including an active element in the secondary circuit, and a separate control circuit for controlling the active element is required.

(c)에 도시된 컨버터회로는 비록 수동소자만을 포함하고 있지만 변압기(T)의 누설 인덕턴스(inductance)와 보조회로부(10)내의 캐패시터와의 공진에 의해 2차측의 정류기 전압(Vrec)이 정상상태의 2배 가까이 상승하여 정류기 다이오드(D1,D2,D3,D4)의 전압 스트레스를 증가시키고, 또한 공진에 의한 환류전류로 인해서 전력손실이 증가하는 문제점이 있는 것이다.the rectifier voltage Vrec of the secondary side is in a steady state due to the resonance between the leakage inductance of the transformer T and the capacitor in the auxiliary circuit part 10 although the converter circuit shown in Fig. The voltage stress of the rectifier diodes D1, D2, D3 and D4 is increased, and the power loss is increased due to the return current due to the resonance.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소시키기 위해서 창작된 것으로서, 포화리액터와 같은 손실성 소자나 능동소자를 사용하지 않으며 또한 정류기에 높은 전압 스트레스나 환류전류에 의한 전력손실을 감소시킬 수 있는 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로를 제공하는 것이며,Accordingly, the present invention has been made to overcome the above problems, and it is an object of the present invention to provide a rectifier which does not use a lossy element such as a saturated reactor or an active element and which can reduce a power loss due to a high voltage stress or a return current The present invention provides a circuit for zero voltage / zero current switching of a bridge DC / DC converter,

본 발명의 다른 목적은, 본 발명에 따른 회로내의 용량성소자에 전류가 충전될 때, 전류에 과도한 피크가 발생하는 것을 방지하는 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a circuit for zero voltage / zero current switching of a full bridge DC / DC converter which prevents an excessive peak in current from occurring when current is charged in a capacitive element in a circuit according to the present invention .

제1도는 본 발명에 따른 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로의 일실시예가 설치된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터이고,FIG. 1 is a full bridge DC / DC converter equipped with an embodiment of a circuit for zero voltage / zero current switching of a full bridge DC / DC converter according to the present invention,

제2도는 본 발명에 따른 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로의 실시예가 설치된 다양한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 구성을 도시한 것이고,FIG. 2 shows a configuration of various full bridge DC / DC converters equipped with an embodiment of a circuit for zero voltage / zero current switching of a full bridge DC / DC converter according to the present invention,

제3도는 제1도 회로의 각 동작단계에 따른 등가회로를 도시한 것이고,Figure 3 shows an equivalent circuit according to each operating phase of the first phase circuit,

제4도는 제1도 회로의 각 동작단계에 따라서 발생하는 전류 및 전압파형을 주요부분만을 발췌하여 도시한 것이고,4 shows the current and voltage waveforms generated according to the respective operation steps of the first-degree circuit by extracting only the main portion,

제5도는 종래의 영전압/영전류 스위칭의 풀 브릿지 DC/DC 컨버터를 도시한 것이고,FIG. 5 illustrates a full bridge DC / DC converter of conventional zero voltage / zero current switching,

제6도는 영전압/영전류 스위칭이 아닌 하드 스위칭(Hard Switching)시의 전류 및 전압파형을 도시한 것이고,FIG. 6 shows current and voltage waveforms during hard switching rather than zero voltage / zero current switching,

제7도는 영전압/영전류 스위칭시의 전류 및 전압파형을 도시한 것으로서,FIG. 7 shows current and voltage waveforms during zero voltage / zero current switching,

(a)는 영전압 스위칭시의 전류 및 전압파형이고,(a) is the current and voltage waveform at zero voltage switching,

(b)는 영전류 스위칭시의 전류 및 전압파형이다.(b) are the current and voltage waveforms at zero current switching.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS

10 : 종래의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로10: Conventional circuit for zero voltage / zero current switching

100 : 본 발명에 따른 회로의 실시예 BD100 : 풀 브릿지 정류기100: Embodiment of circuit according to the present invention BD100: Full bridge rectifier

BD100' : 하프 브릿지 정류기 C1,C3 : 스너버 캐패시터BD100 ': Half bridge rectifier C1, C3: Snubber capacitor

C100 : 캐패시터C100: capacitor

D1,D2,D3,D4 : 정류기를 구성하는 다이오드D1, D2, D3, D4: Diodes constituting a rectifier

D100 : 다이오드 D101 : 환류 다이오드D100: Diode D101: Reflux diode

DS1,DS2,DS3,DS4 : 다이오드 IC: 캐패시터(C100)를 흐르는 전류DS1, DS2, DS3, DS4: Diode I C : Current flowing through the capacitor (C100)

IO: 부하전류 ISW: 스위치를 흐르는 전류I O : Load current I SW : Current flowing through the switch

IP: 1차측 전류 L100 : 코일I P : Primary current L100: Coil

LO,CO: 출력필터 Llk: 누설인덕턴스L O , C O : Output filter L lk : Leakage inductance

RO: 부하R O : Load

S1,S2,S3,S4 : 풀 브릿지를 구성하는 스위치S1, S2, S3, S4: Switches that make up the full bridge

SR : 포화 리액터 T : 변압기SR: Saturated reactor T: Transformer

VC: 캐패시터(C100)양단전압 VGS: 스위치 제어전압V C : Capacitor (C100) voltage at both ends V GS : Switch control voltage

VSW: 스위치 양단전압 Vab: 1차측 전압V SW : voltage across switch V ab : primary voltage

Vrec: 2차측 전압V rec : secondary voltage

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로는, 변압기를 포함하는 풀 브릿지 DC/DC 컨버터에 있어서, 상기 변압기의 3차 권선의 두 단자에 연결되어 3차 권선에 유도되는 전류를 정류하여 출력단자로 출력하는 정류수단; 상기 정류수단의 출력단자와 접지사이에 연결되는 수동 용량성소자; 및 상기 정류수단의 출력단자와 상기 변압기의 2차측에서 정류된 전류가 출력되는 단자사이에 상기 정류수단에 의한 전류가 흐를 수 있는 방향으로 배치되어 연결되는 제 1 정류소자;를 포함하여 구성되는 것과, 상기 정류수단이 풀 브릿지 정류기 또는 하프 브릿지의 정류기로서 구현되는 것에 특징이 있는 것이며,According to another aspect of the present invention, there is provided a full bridge DC / DC converter including a transformer, the zero-voltage / zero current switching circuit of the full bridge DC / DC converter including: Rectifying means connected to the two terminals for rectifying the current induced in the tertiary winding and outputting the rectified current to the output terminal; A passive capacitive element connected between the output terminal of the rectifying means and ground; And a first rectifying element connected and arranged in a direction in which a current of the rectifying means can flow between an output terminal of the rectifying means and a terminal to which a rectified current is outputted from the secondary side of the transformer And the rectifying means is implemented as a rectifier of a full bridge rectifier or a half bridge,

본 발명에 따른 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로는, 상기 변압기의 3차 권선과 상기 정류수단사이에 또는 상기 수동 용량성소자와 제1 정류소자의 연결점과 상기 정류수단의 출력단자사이에 연결되는 수동유도성소자;를 더 포함하여 구성되는 것에 다른 특징이 있는 것이다.A circuit for zero voltage / zero current switching of a full bridge DC / DC converter according to the present invention is characterized in that a circuit for zero voltage / zero current switching of a full bridge DC / DC converter is provided between the third winding of the transformer and the rectifying means, or between the connection point of the first rectifying element and the rectifying means And a passive inductive element connected between the output terminals.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로가 2차측에 설치되면 풀 브릿지 DC/DC 컨버터에서는 다음과 같이 영전압/영전류 스위칭이 이루어지게 된다.When a circuit for switching the zero voltage / zero current of the full bridge DC / DC converter according to the present invention is installed on the secondary side, the full bridge DC / DC converter switches the zero voltage / do.

풀 브릿지를 구성하는 진상(進相)레그(leading leg)상의 스위치와 지상(遲相)레그(lagging leg)상의 스위치는 게이트에 인가되는 개폐용 제어전압의 위상에 따라 상호 교번적으로 턴온 및 턴오프되는 데, 진상레그상의 스위치가 영전압 스위칭되는 과정은 종래의 구성에서와 동일하다. 즉, 스위치가 턴오프될 때는 병렬로 연결된 스너버 캐패시터에 의해 스위칭손실을 감소시키게 되고, 스위치의 턴온은, 상기 수동 용량성소자에 충전된 전압과 스위치에 병렬로 연결된 스너버 캐패시터에 충전된 전압이 동일레그상의 다른 스위치의 차단으로 인해 부하에 대신 전류를 공급함으로써 감소하게 되고 그에 따라 스위치 양단전압이 영이 되면서 역방향의 다이오드가 턴온되게 되는데 이 때, 즉 영전압 상태에서 이루어짐으로써 스위칭손실이 완전히 제거 된다. 지상레그의 스위치가 영전류 스위칭이 되는 과정은 상기와는 다른 방식으로 이루어지게 되는 데, 상기의 수동 용량성소자는 부하에 전류를 공급하는 파워링모드(powering mode)동안에 3차권선에 연결된 상기 정류수단을 통해 충전된 전압을, 전원으로부터 공급되는 전력이 일시중단되는 환류모드가 시작되면서 상기 제 1 정류소자를 통해 방전하기 시작하면서 2차측에 양의 전압을 일정기간 동안 가해주게 된다. 2차측에 가해진 상기 전압은 변압기를 통해 1차측 누설 인덕턴스에 전류가 흐르는 방향의 역으로 인가됨으로써 1차측에 흐르던 전류를 급격하게 감소시키게 된다. 1차측에 흐르던 전류가 급격히 감소하여 영에 이르게 되면 지상레그상의 해당스위치는 영전류에서의 턴오프가 이루어지게 되는 것이다.The switches on the leading leg and the lagging leg constituting the full bridge are alternately turned on and off according to the phase of the control voltage for opening and closing applied to the gate, Off of the switch on the forward leg is the same as in the conventional configuration. That is, when the switch is turned off, the switching loss is reduced by the snubber capacitors connected in parallel. The turn-on of the switch is controlled by the voltage charged in the passive capacitive element and the voltage charged in the snubber capacitor connected in parallel to the switch The switching diode is turned on by turning off the other switch on the same leg, thereby reducing the switching loss by completely supplying the current to the load instead of turning on the reverse diode while the voltage across the switch is zero. . The above-mentioned passive capacitive element is connected to the rectifier circuit connected to the third winding during a powering mode for supplying current to the load, A positive voltage is applied to the secondary side for a predetermined period while the charged voltage is started to be discharged through the first rectifying element while a reflux mode in which the power supplied from the power source is temporarily started. The voltage applied to the secondary side is applied in reverse to the direction in which the current flows in the primary leakage inductance through the transformer, thereby rapidly reducing the current flowing to the primary side. When the current flowing in the primary side rapidly decreases to zero, the corresponding switch on the ground leg is turned off at zero current.

이하, 본 발명에 따른 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로의 일 실시예의 구성 및 작용에 대해, 상기 회로가 결합된 첨부된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 도면에 의거하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the configuration and operation of an embodiment of a circuit for zero voltage / zero current switching of a full bridge DC / DC converter according to the present invention will be described with reference to the drawing of the attached full bridge DC / Will be described in detail.

제1도는 본 발명에 따른 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로의 일 실시예가 구현된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터를 도시한 것으로서, 풀 브릿지의 스위치(S1,S2,S3,S4)의 개폐동작에 따라 1차측의 전류와 전압을 2차측과 3차측에 유도하는 변압기(T); 2차측에서 전류를 일방향으로 흐르도록 하는 풀 브릿지 다이오드(D1,D2,D3,D4); 2차측에 인가된 출력필터(LO,CO) 및 부하(RO);와 본 발명에 따른 구성요소로서 상기 변압기(T)의 3차측에 연결되어 전류를 정류하는 풀 브릿지 정류기(BD100); 상기 정류기(BD100)의 출력단과 접지사이에 연결되는 캐패시터(C100); 상기 정류기(BD100)의 출력단과 2차측의 출력단사이에 연결되는 다이오드(D100);를 포함하여 구성되어 있다.FIG. 1 illustrates a full bridge DC / DC converter in which an embodiment of a circuit for zero voltage / zero current switching of a full bridge DC / DC converter according to the present invention is implemented. , S4) for inducing the current and voltage on the primary side to the secondary side and the tertiary side according to the opening and closing operation of the primary side and the secondary side; Full bridge diodes (D1, D2, D3, D4) for allowing current to flow in one direction in the secondary side; The output filter is applied to the secondary side (L O, C O) and a load (R O); and the full-bridge rectifier (BD100) which is connected to the third winding of the transformer (T) rectifies the current as a component according to the invention ; A capacitor C100 connected between the output terminal of the rectifier BD100 and the ground; And a diode D100 connected between the output terminal of the rectifier BD100 and the output terminal of the secondary side.

제4도는 상기와 같이 구성된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터가 동작하는 과정에서 발생하는 신호의 파형을 주요부분만을 도시한 것인데, 이 신호의 파형은 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 동작을 몇단계로 구분할 수 있음을 보여준다.FIG. 4 shows only a main part of a waveform of a signal generated during the operation of the full bridge DC / DC converter configured as described above. The waveform of the signal indicates the operation of the full bridge DC / DC converter Respectively.

제3도는 제4도의 신호파형에 따른 구분된 동작모드에서의 DC/DC 컨버터의 등가회로를 도시한 것이다.FIG. 3 shows an equivalent circuit of the DC / DC converter in the divided operation mode according to the signal waveform of FIG. 4.

상기와 같이 구성된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 동작설명의 편의를 위해 출력필터의 인덕터(LO)는 충분히 커서 스위칭 한주기동안 부하전류(IO)는 일정하다고 가정하고, 또한 상기 변압기(T)의 3차권선은 2차권선의 절발이하가 되도록 구성한다.In order to simplify the explanation of the operation of the full bridge DC / DC converter configured as described above, it is assumed that the inductor (L O ) of the output filter is sufficiently large so that the load current (I O ) Of the secondary winding is less than or equal to the root of the secondary winding.

이하에서는, 상기와 같이 구성된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터에서, 영전압 및 영전류 스위칭이 이루어지는 과정을 제4도의 각 구분된 동작모드에 따른 파형을 참조하여 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the process of performing the zero voltage and the zero current switching in the full bridge DC / DC converter configured as above will be described step by step with reference to waveforms according to the divided operation modes of FIG.

모드1(M1)Mode 1 (M1)

1차측의 스위치(S1,S2)가 도통하여 입력단에서 출력단으로 전력이 전달되는 단계로서, 이 모드를 '파워링모드'라 한다. 상기 캐패시터(C100)는 상기 변압기(T)의 3차권선내의 누설 인덕턴스와의 공진에 의해서 충전하기 시작한다. 충전되는 전압이 입력전원 전압(VS)에 제3권선의 권선비(N3/N1)를 곱한 전압의 2배만큼 증가하게 되면 공진은 종료하게 되고 상기 정류기(BD100)내의 다이오드에는 역전압이 인가되어 전류의 흐름이 차단된다. 또한, 상기 캐패시터(C100)에 충전된 전압은 3차권선이 2차권선의 1/2이하이므로 2차권선의 출력전압보다는 낮은 값이고 따라서 상기 다이오드(D100)를 통해서 부하쪽으로 방전하지 않는다.The switches S1 and S2 on the primary side are conducted to transmit power from the input terminal to the output terminal, and this mode is referred to as a 'powering mode'. The capacitor C100 begins to charge by resonance with the leakage inductance in the tertiary winding of the transformer T. [ When the voltage to be charged is increased by twice the voltage obtained by multiplying the input power supply voltage V S by the winding ratio N3 / N1 of the third winding, the resonance ends and a reverse voltage is applied to the diode in the rectifier BD100 The flow of current is cut off. Also, the voltage charged in the capacitor C100 is lower than the output voltage of the secondary winding because the tertiary winding is equal to or less than 1/2 of the secondary winding, and therefore, the voltage is not discharged to the load through the diode D100.

모드2(M2)Mode 2 (M2)

상기 캐패시터(C100)에 충전된 전압은 방전루프가 형성되어 있지 않으므로 외부요인에 의한 루프가 형성될 때까지 상기 충전된 전압을 유지하게 된다.Since the voltage charged in the capacitor C100 is not formed with a discharge loop, the charged voltage is maintained until a loop due to an external factor is formed.

모드3(M3)Mode 3 (M3)

정해진 시비율(duty cycle)에 의해 상기 스위치(s1)가 개방되면 일정하게 흐르는 부하전류에 의해 스너버 캐패시터(C1)는 충전하기 시작하고 스너버 캐패시터(C3)는 방전하기 시작한다. 부하전류가 일정하게 흐르기 때문에 스너버 캐패시터(C1)의 전압은 선형적으로 증가하며, 따라서 상기 변압기(T)의 1차측 전압(Vab)은 선형적으로 감소한다. 종래의 영전압 스위칭에서와 같이 스너버 캐패시터(C1)의 값을 충분히 크게 하여 상기 턴오프되는 구간내에서의 스위치(S1) 양단전압을 영에 가깝게 유지시켜(제7도의 (a)참조)스위칭손실이 거의 발생하지 않도록 할 수 있다. 이 때, 2차측의 전압(Vrec)은 1차측의 전압(Vab)이 감소하는 비율과 같은 비율로 감소하게 되는 데, 이 전압감소는 2차측의 전압이, M2단계에서 상기 캐패시터(C100)에 충전되어 유지되고 있는 전압과 같아질 때까지 진행된다When the switch s1 is opened by a predetermined duty cycle, the snubber capacitor C1 starts to charge and the snubber capacitor C3 starts discharging due to the constantly flowing load current. The voltage of the snubber capacitor C1 increases linearly because the load current is constantly flowing, so that the primary side voltage V ab of the transformer T decreases linearly. The value of the snubber capacitor C1 is sufficiently increased as in the conventional zero voltage switching so that the voltage across the switch S1 in the turned off period is maintained close to zero (see FIG. 7 (a)), It is possible to prevent the loss from occurring. At this time, the secondary side voltage (V rec) is to be reduced at the same rate as the rate at which the reduced voltage (V ab) of the primary winding, the voltage loss is then the secondary side voltage, the capacitor (C100 from the M2 stage ) Until it becomes equal to the voltage being held and charged

모드4(M4)Mode 4 (M4)

상기 변압기(T)의 2차측의 전압(Vrec)이 감소하는 도중 상기 캐패시 터(C100)에 충전된 전압과 같아지게 되면 상기 다이오드(D100)가 도통하게 되고 2차측의 전압(Vrec)은 상기 캐패시터(C100)에 충전되어 있던 전압에서 매우 느린 속도로 방전하게 된다. 한편, 1차측의 스너버 캐패시터(C3)에서 방전되는 전압은 1차측의 누설인덕턴스에 흐르고 있던 전류에 의해서 계속해서 빠른 속도로 방전하게 되고, 따라서 1차측 전압(Vab)은 2차측이 상기 캐패시터(C100)에서 서서히 방전되고 있는 전압이 1차측으로 넘어온 전압보다 낮아지게 된다. 이와 같이, 2차측 전압(Vrec)의 1차측으로 넘어온 전압이 1차측 전압(Vab)보다 큰 전압차 부분은 1차측의 누설인덕턴스에 흐르는 전류(IP)에 역방향으로 인가되어 1차측의 전류를 급격하게 감소시키게 된다.Voltage (V rec) on the secondary side when becomes equal to the voltage charged in the capacitance when emitter (C100) while decreasing the diode (D100) is the conduction voltage of the secondary side of the transformer (T) (V rec) Discharges at a very slow rate from the voltage charged in the capacitor C100. On the other hand, the voltage discharged from the snubber capacitor C3 on the primary side is discharged at a high speed continuously by the current flowing in the leakage inductance on the primary side. Therefore, the primary voltage V ab , The voltage gradually discharged from the capacitor C100 becomes lower than the voltage applied to the primary side. Thus, the voltage passed to the primary winding a voltage difference part than the primary voltage (V ab) of the secondary-side voltage (V rec) is applied in a direction opposite to the current (I P) flowing in the leakage inductance of the primary winding of the primary winding The current is sharply reduced.

출력필터의 인덕터(LO)를 통해 흐르는 전류가 일정하기 때문에, 1 차측에서 감소하는 전류의 양만큼 2차측의 상기 캐패시터(C100)에서 상기 다이오드(D100)를 통해 전류가 공급되고 이에 따라 상기 캐패시터(C100)의 전압은 M3단계에서 보다는 빠른 속도로 감소하기 시작하며, 1차측의 스너버 캐패시터(C3)의 전압이 완전히 영이 될 때까지 상기 과정이 진행된다.Since the current flowing through the inductor L O of the output filter is constant, current is supplied from the capacitor C 100 on the secondary side through the diode D 100 by the amount of current decreasing on the primary side, The voltage of the capacitor C100 begins to decrease at a faster rate than that at the step M3 and the above process is performed until the voltage of the snubber capacitor C3 on the primary side becomes zero.

모드5(M5)Mode 5 (M5)

감소하던 스너버 캐패시터(C3)의 전압이 영이 되면, 스위치(S3)에 역방향으로 연결된 다이오드(DS3)가 도통하게 되고, 따라서 스위치(S3)의 양단전압은 영이 되며 영전압 스위칭이 이루어지게 된다. 이 단계는, 1차측에 흐르는 전류(IP)가 2차측에서 1차측으로 넘어와 역방향으로 인가되는 전압에 의해 빠른 속도로 계속해서 감소하여 영이 될 때까지 진행한다.When the voltage of the snubber capacitor C3 which is decreasing becomes zero, the diode DS3 connected in the reverse direction to the switch S3 becomes conductive, so that the voltage across the switch S3 becomes zero and the zero voltage switching is performed. This step is continued until the current I P flowing in the primary side continues to decrease at a high speed by the voltage applied from the secondary side to the primary side and in the reverse direction until it becomes zero.

모드6(M6)Mode 6 (M6)

1차측의 전류(IP)가 영이 되었으므로 스위치(S2)는 영전류에서 턴오프할 수 있게 된다. 이 때는 1차측에서 공급되는 전류가 없으므로 2차측의 상기 캐패시터(C100)가 전 부하전류를 공급하게 되고, 상기 캐패시터(C100)의 전압이 완전히 방전하여 영이 될 때까지 이 단계가 진행된다.Since the current I P on the primary side is zero, the switch S2 is allowed to turn off at zero current. At this time, since there is no current supplied from the primary side, the capacitor C100 on the secondary side is supplied with the full load current, and this step proceeds until the voltage of the capacitor C100 is completely discharged and becomes zero.

모드7(M7)Mode 7 (M7)

2차측의 상기 캐패시터(C100)의 전압이 완전히 방전되면, 부하전류(IO)는 2차측의 풀 브릿지 다이오드를 통해 환류(D2-D4,D3-D1)하게 된다.When the voltage of the capacitor C100 on the secondary side is completely discharged, the load current I O flows through the full-bridge diode of the secondary side to reflux (D2-D4, D3-D1).

모드8(M8)Mode 8 (M8)

스위치(S2)에는 전류가 흐르지 않는 상태이므로 영전류상태에서 턴오프되며 스위치(S4)가 턴온되어 전류의 루프를 새로이 형성할 때까지 데드 타임(dead time)이 된다.Since the current is not flowing through the switch S2, the switch S4 is turned off in the zero current state, and the dead time is reached until the switch S4 is turned on to newly form a current loop.

모드9(M9)Mode 9 (M9)

스위치(S4)가 턴온되면서 환류모드가 끝나게 된다. 스위치(S4)의 턴온과정도, 1차측의 누설 인덕턴스 때문에 전류가 급격하게 변할 수 없으므로 영전류의 상태에서 이루어지게 된다. 1차측의 스위치(S4,S3)를 통해 전류공급 루프가 형성되었으므로 전류가 선형적으로 증가하게 되며 이 전류는 2차측으로 유도되어 2차측의 풀 브릿지 다이오드(D3-D4)를 통해 정류되어 부하쪽으로 흐르게 된다. 2차측의 전압(Vrec)은 2차측으로 유도된 전류가 직전의 환류되고 있던 부하전류보다 커질 때까지는 영인 상태로 유지되다가 값이 커지는 순간에 1차측 전압의 권선비(N2/N1)에 해당하는 값으로 증가하게 된다.The switch S4 is turned on and the reflux mode is ended. The turn-on process of the switch S4 is also performed in the state of zero current since the current can not be abruptly changed due to the leakage inductance of the primary side. Since the current supply loop is formed through the switches S4 and S3 on the primary side, the current linearly increases, and this current is induced to the secondary side and rectified through the secondary side full bridge diodes D3-D4, Flow. The voltage Vrec on the secondary side is maintained in the zero state until the current induced to the secondary side becomes larger than the load current that was being reflowed, and the voltage corresponding to the winding ratio N2 / N1 of the primary side voltage Value.

본 발명에 따른 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로가 설치된 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 일 실시예는 지금까지 설명한 동작단계에 따라, 진상레그의 스위치(S1,S3)는 영전압 스위칭이 이루어지게 되고(M3:턴오프, M5:턴온), 지상레그의 스위치(S2,S4)는 영전류 스위칭이 이루어지게 된다.(M8:턴 오프,M9:턴온)According to an embodiment of the full bridge DC / DC converter having the circuit for switching the zero voltage / zero current according to the present invention, the switches S1 and S3 of the forward leg are switched to zero voltage switching (M3: turn off, M5: turn on), and the ground leg switches S2 and S4 are switched to zero current switching (M8: turn off and M9: turn on)

제2도는 본 발명에 따른 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로의 실시예가 적용된 다양한 풀 브릿지 DC/DC 컨버터를 도시한 것으로서, (a)는 변압기(T)의 2차측과 3차측에 모두 하프 브릿지(Half-Bridge)의 정류기를 사용한 구성이고, (b)는 2차측에는 하프 브릿지 정류기를, 3차측에는 풀 브릿지 정류기를 사용한 구성이며, (c)는 2차측에는 풀 브릿지 정류기를, 3차측에는 하프 브릿지 정류기를 사용한 구성이고, (d)는 정류기 구성은 (b)와 같으나, 접지에서 2차측 출력방향으로 연결되어 있는 환류 다이오드(D100);와 정류기(BD100)의 출력단과 캐패시터(C100)사이에 연결되는 코일(L100);을 더 포함하여 구성되는 것이 다르다. 또한, 제2도에서 보는 바와 같이, 하프 브릿지 정류기를 사용하여 전류를 정류하는 구성인 경우에는 2차측의 회로와 본 발명에 따른 영전압/영전류를 위한 회로의 접지는 변압기(T)의 2차측과 3차측의 중립단자에 각각 연결된다.FIG. 2 shows various full bridge DC / DC converters to which an embodiment of a circuit for zero voltage / zero current switching of a full bridge DC / DC converter according to the present invention is applied, in which (a) (B) shows a configuration in which a half bridge rectifier is used for the secondary side and a full bridge rectifier is used for the tertiary side, and (c) (D) shows a rectifier structure similar to that shown in FIG. 2 (b), except that the rectifier (D100) and the rectifier (BD100) are connected in the secondary output direction from the ground to the rectifier And a coil L100 connected between the output terminal and the capacitor C100. As shown in FIG. 2, when the current is rectified by using the half bridge rectifier, the ground of the secondary side circuit and the circuit for the zero voltage / And are respectively connected to the neutral terminals of the secondary side and the tertiary side.

상기와 같이 구성되는 각각의 실시예는 전류를 정류하는 정류기와 그에 따른 결선방식만이 상이할 뿐 그 동작은 제1도의 실시예의 동작과 모두 동일한 단계에 따라 이루어지게 된다. 다만, 제2도의 (d)에 포함되어 있는 환류 다이오도(D101)는, 제2도의 (a)와 (b)에서와 같이 2차측에 하프 브릿지 정류기를 사용하는 경우에 환류모드(모드7(M7))시에 도통하게 되어 환류전류가 2차측 권선을 통해 흐르는 대신 상기 환류 다이오드(D101)를 통해 흐르게 함으로써, 발생하는 도통손실을 줄이는 작용을 하게 되고, 상기 코일(L100)은 파워링모드(모드1(M1))에서 상기 캐패시터(C100)에 충전되는 전압의 피크(peak)값을 제한함으로써, 상기 캐패시터(C100)에 전압 스트레스를 주지않도록 하는 점이 다른 실시예와 다를 뿐이다. 또한, 상기와 같은 작용을 하는 코일(L100)은 제2도의 (d)와 같이 연결되는 대신, 변압기(T)의 3차권선과 정류기(BD100)사이에 직렬로 연결되어도 동일한 작용을 하게 된다.Each of the above-described embodiments differs from the rectifier for rectifying the current only in accordance with the wiring scheme, and the operation of the rectifier is the same as that of the embodiment of FIG. However, the reflux diode D101 included in (d) of FIG. 2 is a case where the half bridge rectifier is used in the secondary side as in FIGS. 2 (a) and 2 (b) M7), and the return current flows through the reflux diode D101 instead of flowing through the secondary winding, thereby reducing the conduction loss. The coil L100 is in the power ring mode Only the peak value of the voltage charged in the capacitor C100 is limited in the first mode M1 so that voltage stress is not applied to the capacitor C100. The coil L100 acting as described above may be connected in series between the third winding of the transformer T and the rectifier BD100 instead of being connected as shown in FIG. 2 (d).

상기와 같이 구성되어 작용하는 본 발명에 따른 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로는, 포화 리액터와 같은 손실성 부품이나 능동소자와 같은 고가의 부품을 포함하지 않으며 또한 회로가 간단하기 때문에 영전압/영전류 스위칭의 풀 브릿지 DC/DC 컨버터를 보다 저원가로 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 대용량화가 용이해서 대용량 고주파 DC/DC 컨버터 분야에서도 널리 이용될 수가 있는 매우 경제적이고 유용한 발명인 것이다.The circuit for switching the zero voltage / zero current of the full bridge DC / DC converter according to the present invention constituted as described above does not include expensive parts such as a saturated reactor or an expensive element such as a saturated reactor, DC / DC converter of zero voltage / zero current switching can be implemented at a lower cost, and it is easy to increase the capacity, which is a very economical and useful invention which can be widely used in a large capacity high frequency DC / DC converter field .

Claims (4)

변압기를 포함하는 풀 브릿지 DC/DC 컨버터에 있어서, 상기 변압기의 3차 권선의 두 단자에 연결되어 3차 권선에 유도되는 전류를 정류하여 출력단자로 출력하는 정류수단; 상기 정류수단의 출력단자와 접지사이에 연결되는 수동 용량성소자; 및 상기 정류수단의 출력단자와 상기 변압기의 2차측에서 정류된 전류가 출력되는 단자사이에 상기 정류수단에 의한 전류가 흐를 수 있는 방향으로 배치되어 연결되는 제1 정류소자;를 포함하여 구성되는 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로.A full bridge DC / DC converter including a transformer, comprising: rectifying means connected to two terminals of a tertiary winding of the transformer to rectify a current induced in a tertiary winding and outputting the rectified current to an output terminal; A passive capacitive element connected between the output terminal of the rectifying means and ground; And a first rectifying element arranged and connected in a direction in which a current of the rectifying means can flow between an output terminal of the rectifying means and a terminal to which a current rectified at the secondary side of the transformer is outputted, Circuit for zero voltage / zero current switching of bridge DC / DC converters. 제1항에 있어서, 상기 정류수단은 4개의 다이오드로 구성되는 풀 브릿지(Full Bridge) 정류기로서, 제1 및 제2 다이오드는 상기 출력단자와 상기 변압기의 3차 권선의 두단자사이에 상기 각단자에서 전류가 유출될 수 있는 방향으로 배치되어 각각 연결되고, 제3 및 제4 다이오드는 접지와 상기 변압기의 3차 권선의 두단자사이에 상기 각단자로 전류가 유입될 수 있는 방향으로 배치되어 연결되는 것을 특징으로 하는 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로.2. The transformer of claim 1, wherein the rectifying means is a full bridge rectifier comprising four diodes, wherein the first and second diodes are connected between the output terminal and two terminals of the tertiary winding of the transformer, And the third and fourth diodes are disposed between the ground and the two terminals of the tertiary winding of the transformer in such a direction that current can flow into the respective terminals, Circuit for zero voltage / zero current switching of a full bridge DC / DC converter. 제1항에 있어서, 상기 정류수단은 2개의 다이오드로 구성되는 하프 브릿지(Harf Brldge) 정류기로서, 제1 및 제2 다이오드는 상기 출력단자와 상기 변압기의 3차 권선의 비중립 두단자에 상기 각 단자에서 전류가 유출될 수 있는 방향으로 배치되어 연결되고, 상기 변압기의 3차권선의 중립단자는 접지의 연결된 것을 특징으로 하는 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로.The transformer according to claim 1, wherein the rectifying means is a Harf Brldge rectifier composed of two diodes, the first and second diodes being connected to the output terminal and two non-neutral terminals of the tertiary winding of the transformer, And the neutral terminal of the third winding of the transformer is connected to the ground. The circuit for zero voltage / zero current switching of a full bridge DC / DC converter according to claim 1, wherein the neutral terminal of the third winding of the transformer is grounded. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 수동 용량성소자와 제1 정류소자의 연결점과 상기 정류수단의 출력단자사이에 연결되는 수동 유도성소자;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풀 브릿지 DC/DC 컨버터의 영전압/영전류 스위칭을 위한 회로.The apparatus according to claim 1, 2, or 3, further comprising: a passive inductive element connected between a connection point of the passive capacitive element and the first rectifying element and an output terminal of the rectifying means; Circuit for zero voltage / zero current switching of bridge DC / DC converters.
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