KR100609139B1 - Buck Type Series Resonant Converter - Google Patents
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Abstract
본 발명은 강압 기능을 갖는 직렬 공진형 DC/DC 컨버터에 관한 것으로, 그 구성은, 직류 전원; 역병렬 다이오드가 각각 연결된 풀 브릿지의 제1 내지 제4스위치를 포함하며, 서로 직렬 접속된 제1 및 제2스위치와, 제3 및 제4스위치는 각각 상기 직류 전원의 양단에 병렬로 접속되어, 스위칭 제어신호에 따라 스위칭하는 스위치부; 상기 제1 및 제2스위치의 접속 노드와, 상기 제3 및 제4스위치의 접속 노드 사이에 연결된 직렬 공진부; 상기 직렬 공진부와 직렬로 접속된 1차 코일 및 2차 코일을 포함하는 트랜스; 상기 트랜스에서 출력되는 전압을 정류하는 정류부; 상기 정류부에 의해 정류된 전압을 평활하여 출력하는 평활 커패시터; 및 상기 직렬 공진부에 에너지를 저장하기 위한 파워링 모드와 상기 저장된 에너지를 상기 트랜스를 통해 2차측으로 전달하기 위한 자유공진 모드를 주기적으로 반복 수행하도록, 상기 제1 내지 제4스위치 및 역병렬 다이오드의 스위칭 시간을 제어하여, 출력전압의 크기에 따라 상기 파워링 모드 수행시간 및 상기 자유공진 모드 수행시간을 제어하는 제어부를 포함한다. The present invention relates to a series resonant DC / DC converter having a step-down function, the configuration of which includes a DC power supply; A first bridge and a fourth switch of a full bridge to which anti-parallel diodes are connected, respectively; first and second switches connected in series with each other, and third and fourth switches are connected in parallel to both ends of the DC power supply, respectively. A switch unit for switching according to a switching control signal; A series resonator connected between a connection node of the first and second switches and a connection node of the third and fourth switches; A transformer including a primary coil and a secondary coil connected in series with the series resonator; A rectifier for rectifying the voltage output from the transformer; A smoothing capacitor that smoothes and outputs the voltage rectified by the rectifier; And the first to fourth switches and the anti-parallel diodes to periodically repeat a powering mode for storing energy in the series resonator unit and a free resonant mode for transferring the stored energy to the secondary side through the transformer. And a control unit controlling the switching time of the powering mode and the free resonance mode execution time according to the output voltage.
풀 브릿지, 공진전류, 직렬 공진, DC/DC 컨버터, 정류부 Full Bridge, Resonant Current, Series Resonance, DC / DC Converter, Rectifier
Description
도 1은 종래의 강압 기능을 갖는 DC/DC 컨버터의 회로도이다.1 is a circuit diagram of a DC / DC converter having a conventional step-down function.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 강압 기능을 갖는 직렬 공진형 DC/DC 컨버터의 회로도이다.2 is a circuit diagram of a series resonant DC / DC converter having a step-down function according to an embodiment of the present invention.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 강압 기능을 갖는 직렬 공진형 DC/DC 컨버터의 동작 상태를 설명하기 위한 도면이다.3A to 3D are diagrams for describing an operating state of a series resonant DC / DC converter having a step-down function according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 스위치부의 스위칭 주기 및 직렬 공진부의 공진 주기를 설명한 도면이다.4 is a view illustrating a switching period of a switch unit and a resonance period of a series resonator unit according to the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 * Explanation of symbols on the main parts of the drawings
110 : 직류 전원 120 : 스위치부110: DC power supply 120: switch unit
130 : 직류 공진부 140 : 트랜스130: DC resonator 140: transformer
150 : 정류부 160 : 평활 커패시터150: rectifier 160: smoothing capacitor
170 : 제어부 S1~S4 : 풀 브릿지 스위치170: control unit S1 to S4: full bridge switch
본 발명은 직류-직류(이하, DC/DC라 함) 컨버터에 관한 것으로서, 특히 트랜스의 1차측의 풀 브릿지(full bridge)의 스위치를 온(TON)/오프(TOFF) 하여, 직렬 공진부에 에너지를 저장하고, 상기 저장된 에너지를 상기 트랜스를 통해 2차측의 출력단에 전달하는 강압 기능을 갖는 직렬 공진형 DC/DC 컨버터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
직류 전압을 다른 크기의 직류 전압으로 변환시키는 DC/DC 컨버터는 다양한 분야에 이용된다. 일례로, 컴퓨터의 제어보드에 전원을 공급하는 전원장치는 DC/DC 컨버터를 내장하고 있다. 특히 제어기 설계에 있어서, 기본 입력 직류 전압보다 작은 직류 전압을 요구하는 경우, 강압 기능을 갖는 DC/DC 컨버터가 이용된다. DC / DC converters that convert DC voltages into DC voltages of different sizes are used in various fields. For example, a power supply that supplies power to a computer control board has a built-in DC / DC converter. Particularly in the controller design, when a DC voltage smaller than the basic input DC voltage is required, a DC / DC converter having a step-down function is used.
도 1은 종래의 강압 기능을 갖는 DC/DC 컨버터의 회로도이다. 도 1을 참조하면, 직류 전원(Vs)의 (+)측에 스위치(S)와 인덕터(L)가 직렬로 접속되고, 상기 스위치(S)와 인덕터(L)의 접속노드에서 상기 직류 전원(Vs)과 병렬로 다이오드(D)가 접속된다. 상기 스위치(S)는 미도시 제어부의 스위칭 신호에 따라 온/오프 되어 상기 직류 전원(Vs)의 전압을 출력단으로 스위칭한다. 상기 스위치(S)가 온되면, 상기 직류 전원(Vs)에 의해 공급되는 전류는 상기 인덕터(L)를 통해 출력단으로 전달된다. 이때, 상기 인덕터(L)에는 에너지가 축적된다. 이어, 상기 스위치(S)가 오프되면, 상기 인덕터(L)에 축적된 에너지에 의해 상기 출력단에 전압(Vo)이 출력된다. 상기 출력 전압(Vo)은 항상 입력 전압보다 같거나 작다. 1 is a circuit diagram of a DC / DC converter having a conventional step-down function. Referring to FIG. 1, a switch S and an inductor L are connected in series to the (+) side of the DC power supply Vs, and the DC power supply (A) is connected at the connection node of the switch S and the inductor L. FIG. The diode D is connected in parallel with Vs). The switch S is turned on / off according to a switching signal of a controller (not shown) to switch the voltage of the DC power supply Vs to an output terminal. When the switch S is turned on, the current supplied by the DC power supply Vs is transferred to the output terminal through the inductor L. At this time, energy is accumulated in the inductor (L). Subsequently, when the switch S is turned off, the voltage Vo is output to the output terminal by the energy accumulated in the inductor L. The output voltage Vo is always equal to or less than the input voltage.
그러나, 이러한 종래의 강압형 DC/DC 컨버터는 스위칭시에 발생하는 손실로 인하여 효율이 나쁘다는 단점이 있다.However, this conventional step-down DC / DC converter has a disadvantage in that the efficiency is poor due to the loss generated during switching.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 제시된 것으로서, 트랜스의 1차측의 풀 브릿지 스위치의 온/오프 동작에 따라 직렬 공진부에 에너지를 저장하고, 상기 저장된 1차측의 에너지를 상기 트랜스를 통해 2차측으로 보냄으로써, 스위칭 손실을 줄이면서 입력 전압보다 낮은 전압을 출력단으로 전달하는 강압 기능을 갖는 직렬 공진형 DC/DC 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention has been proposed to solve the above-mentioned problems, and stores energy in a series resonator unit according to an on / off operation of a full bridge switch of a primary side of a transformer, and stores the energy of the stored primary side through a secondary side of the transformer. The purpose of the present invention is to provide a series resonant DC / DC converter having a step-down function that delivers a voltage lower than an input voltage to an output terminal while reducing switching loss.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 강압 기능을 갖는 직렬 공진형 DC/DC 컨버터는, 직류 전원; 역병렬 다이오드(D1~D4)가 각각 연결된 풀 브릿지의 제1 내지 제4스위치(S1~S4)를 포함하며, 서로 직렬 접속된 제1 및 제2스위치(S1,S2)와, 제3 및 제4스위치(S3,S4)는 각각 상기 직류 전원의 양단에 병렬로 접속되어, 스위칭 제어신호에 따라 스위칭하는 스위치부; 상기 제1 및 제2스위치(S1,S2)의 접속 노드와, 상기 제3 및 제4스위치(S3,S4)의 접속 노드 사이에 연결된 직렬 공진부; 상기 직렬 공진부와 직렬로 접속된 1차 코일 및 2차 코일을 포함하는 트랜스; 상기 트랜스에서 출력되는 전압을 정류하는 정류부; 상기 정류부에 의해 정류된 전압을 평활하여 출력하는 평활 커패시터; 및 상기 직렬 공진부에 에너지를 저장하기 위한 파워링 모드와 상기 저장된 에너지를 상기 트랜스를 통해 2차측으로 전달하기 위한 자유공진 모드를 주기적으로 반복 수행하도록, 상기 제1 내지 제4스위치(S1~S4) 및 역병렬 다이오드(D1~D4)의 스위칭 시간을 제어하여, 출력전압의 크기에 따라 상기 파워링 모드 수행시간 및 상기 자유공진 모드 수행시간을 제어하는 제어부를 포함한다.A series resonant DC / DC converter having a step-down function of the present invention for achieving the above object is a direct current power source; First and second switches S1 to S4 of the full bridges having the anti-parallel diodes D1 to D4 connected thereto, respectively; Four switches (S3, S4) are respectively connected to both ends of the DC power supply in parallel, the switch unit for switching in accordance with a switching control signal; A series resonator connected between a connection node of the first and second switches S1 and S2 and a connection node of the third and fourth switches S3 and S4; A transformer including a primary coil and a secondary coil connected in series with the series resonator; A rectifier for rectifying the voltage output from the transformer; A smoothing capacitor that smoothes and outputs the voltage rectified by the rectifier; And the first to fourth switches S1 to S4 to periodically repeat a powering mode for storing energy in the series resonator unit and a free resonance mode for transferring the stored energy to the secondary side through the transformer. And controlling the switching time of the antiparallel diodes D1 to D4 to control the powering mode execution time and the free resonance mode execution time according to the output voltage.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어부는 한 조의 상기 제1 및 제4스위치와, 다른 한 조의 상기 제2 및 제3스위치를 각 조별로 사전에 설정된 스위칭 주기로 온/오프 스위칭을 제어하며, 이때, 상기 제어부는, 상기 직렬 공진부의 공진 전류가 제로인 시점에 상기 각 조별로 온/오프 스위칭을 제어한다.In one embodiment of the present invention, the control unit controls the on / off switching of the set of the first and fourth switches and the other set of the second and third switches in a preset switching cycle for each group, wherein The controller controls on / off switching for each group when the resonance current of the series resonance unit is zero.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어부는, 한 조의 상기 제2다이오드(D2) 및 제4스위치(S4)와, 다른 한 조의 상기 제2스위치(S2) 및 제4다이오드(D4)를 각 조별로 사전에 설정된 스위칭 주기로 온/오프 스위칭을 제어하며, 이때, 상기 제어부는, 상기 직렬 공진부의 공진 전류가 0(zero)가 되는 시점에 상기 각 조별로 교대로 온/오프 시킨다. In one embodiment of the present invention, the control unit, each group of the second diode (D2) and the fourth switch (S4) and the other group of the second switch (S2) and the fourth diode (D4) for each group The on / off switching is controlled by a preset switching cycle, and the control unit turns on / off each of the groups alternately when the resonance current of the series resonator becomes zero.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 제1 내지 제4스위치의 온/오프 되는 시간을 제어하여 상기 직렬 공진부에 공진 에너지가 저장되도록 하고, 또한 상기 제1 내지 제4스위치의 온/오프를 제어하여 출력단의 출력 전압의 크기를 제어한다. In one embodiment of the present invention, the control unit controls the time to turn on / off of the first to fourth switches so that the resonance energy is stored in the series resonator, and also the on / off of the first to fourth switches Off is controlled to control the magnitude of the output voltage at the output stage.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태가 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 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.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 강압 기능을 갖는 직렬 공진형 DC/DC 컨버터의 회로도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 직렬 공진형 DC/DC 컨버터는, 직류 전원(110), 역병렬 다이오드(D1~D4)가 각각 연결된 풀 브릿지의 제1 내지 제4스위치(S1~S4)를 포함하며, 서로 직렬 접속된 제1 및 제2스위치(S1,S2)와, 제3 및 제4스위치(S3,S4)가 각각 상기 직류 전원(110)의 양단에 병렬로 접속되어, 스위칭 제어신호(SS1~SS4)에 따라 스위칭하는 스위치부(120), 상기 제1 및 제2스위치(S1,S2)의 접속 노드와 상기 제3 및 제4스위치(S3,S4)의 접속 노드 사이에 연결된 직렬 공진부(130), 상기 직렬 공진부(130)와 직렬로 접속된 1차 코일 및 2차 코일을 포함하는 트랜스(140), 상기 트랜스(140)에서 출력되는 전압을 정류하는 정류부(150), 상기 정류부(150)에 의해 정류된 전압을 평활하여 출력하는 평활 커패시터(160) 및 상기 직렬 공진부(130)에 에너지를 저장하기 위한 파워링 모드(powering mode)와 상기 저장된 에너지를 상기 트랜스(140)를 통해 2차측으로 전달하기 위한 자유공진 모드(free resonant mode)를 주기적으로 반복 수행하도록, 상기 제1 내지 제4스위치(S1~S4)의 스위칭 시간을 제어하여, 출력전압의 크기에 따라 상기 파워링 모드 수행시간 및 상기 자유공진 모드 수행시간을 제어하는 제어부(170)를 포함하여 구성된다.2 is a circuit diagram of a series resonant DC / DC converter having a step-down function according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the series resonant DC / DC converter of the present invention uses the first to fourth switches S1 to S4 of full bridges connected to the
도 2를 참조하여, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 상기 직류 전원 (110)은 풀 브릿지(full bridge) DC/DC 컨버터에 직류 전압(Vs)(전류)을 공급한다. 2, the present invention will be described in more detail. The
상기 스위치부(120)는 역병렬 다이오드(D1~D4)가 각각 연결된 풀 브릿지 구조의 제1 내지 제4스위치(S1~S4)를 포함한다. 상기 제1 내지 제4스위치(S1~S4)는 상기 제어부(170)의 스위칭 신호(SS1~SS4)에 따라 온/오프 되어, 상기 스위치(S1~S4)에 연결된 트랜스(140)의 1차측에 전류를 제공한다. 상기 스위치(S1~S4)의 에미터와 컬렉터 사이에는 역병렬 다이오드(D1~D4)가 각각 연결되어 있다. 상기 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2)가 서로 직렬로 접속되고, 상기 제3스위치(S3)와 제4스위치(S4)가 서로 직렬로 접속된다. 또한, 상기 서로 직렬 접속된 제1,2스위치(S1,S2)와 제3,4스위치(S3,S4)는 각각 상기 직류 전원(110)의 양단에 병렬로 연결된다. 상기 스위치부(110)는 상기 제어부(170)의 온/오프 스위칭 제어에 의해 상기 직류 전원(110)으로부터 제공된 직류 전류를 직렬 공진부(130) 및 트랜스(140)에 전달한다. 이로써, 상기 직렬 공진부(130)에는 에너지가 축적됨과 동시에, 상기 트랜스(140)를 통하여 2차측으로 에너지(또는 전압)가 전달된다. The
상기 직렬 공진부(130)는 상기 제1 및 제2스위치(S1,S2)의 접속노드와 상기 제3 및 제4스위치(S3,S4)의 접속노드 사이에 직렬로 접속되며, 상기 스위치부(120)를 통해 전달받은 에너지를 저장하고, 설정된 공진주기를 갖도록 구성된다. 또한, 상기 직렬 공진부(130)는 상기 스위치부(120)의 스위칭 동작에 따라 상기 저장된 에너지를 방출할 수도 있다.The
상기 트랜스(140)는 상기 직렬 공진부(130)와 직렬로 접속된 1차 코일 및 2차 코일을 포함한다. 상기 트랜스(140)는 상기 1차 코일 및 2차 코일의 권선비에 따라 1차측 에너지를 2차측으로 전달한다. 본 발명에서는 권선비를 1:1로 설정하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.The
상기 정류부(150)는 상기 트랜스(140)에서 출력되는 전압을 정류하도록 브릿지 다이오드(D5~D8)로 이루어질 수 있다.The
상기 평활 커패시터(160)는 상기 정류부(150)에 의해 정류된 전압을 평활하여 출력한다. The
상기 제어부(170)는 상기 직렬 공진부(130)에 에너지를 저장하기 위한 파워링 모드와 상기 저장된 에너지를 상기 트랜스(140)를 통해 2차측으로 전달하기 위한 자유공진 모드를 주기적으로 반복 수행하도록, 상기 제1 내지 제4스위치(S1~S4)의 스위칭 시간을 제어하여, 출력전압의 크기에 따라 상기 파워링 모드 수행시간 및 상기 자유공진 모드 수행시간을 제어한다. 구체적으로, 상기 제어부(170)는 파워링 모드시, 한 조의 제1 및 제4스위치(S1,S4)와, 다른 한조의 제2 및 제3스위치(S2,S3)를 각 조별로 설정된 주기에 따라 교대로 온/오프 시킨다. 이때, 상기 제어부(170)는 영전류 스위칭(ZCS:Zero Current Switching)을 위하여, 상기 직렬 공진부(130)의 공진 전류가 0(zero)되는 시점에서 상기 각 조별로 스위칭 온/오프를 반복한다. 또한, 상기 제어부(170)는 자유공진 모드시, 한 조의 제2다이오드(D2) 및 제4스위치(S4)와, 다른 한 조의 제2스위치(S2) 및 제4다이오드(D4)를 각 조별로 설정된 주기에 따라 교대로 온/오프 시킨다. 이때도 영전류 스위칭(ZCS)을 위하여, 상기 공진 전류가 0가 되는 시점에서 온/오프를 반복한다. The
이와 같이, 본 발명의 강압 기능을 갖는 직렬 공진형 DC/DC 컨버터에서는, 상기 제어부(170)의 스위칭 제어신호에 따라 제1 내지 제4스위치(S1~S4)(각 역병렬 다이오드(D1~D4)를 포함)를 스위칭 함으로써, 상기 파워링 모드에서는 상기 직류 공진부(130)에 에너지가 축적되면서, 상기 트랜스(140)를 통해 2차측으로 권선비에 따라 전압이 전달되도록 하고, 상기 자유공진 모드에서는 상기 직류 공진부(130)에 더 이상의 에너지가 저장되지 않으며, 상기 직류 공진부(130)에 이미 축적된 에너지가 상기 트랜스(140)을 통해 2차측으로 전달되도록 한다. 이때, 자유공진 모드에서는 직류 공진부(130)의 에너지가 점차 줄어들기 때문에, 상기 2차측에서 출력되는 전압은 작아지며, 따라서, 상기 출력되는 전압(Vo)은 입력 전압(Vs)보다 작다. 이로써 강압 기능이 수행되는 것이다. 상기 출력 전압(Vo)의 크기는, 상기 제어부(170)에서의 스위칭 제어를 통해 제어할 수 있다. 즉, 상기 제어부(170)에서 상기 제1 내지 제4 스위치(S1~S4)(각 역병렬 다이오드(D1~D4)를 포함)의 스위칭 시간을 제어함으로써, 원하는 출력 전압(Vo)을 얻을 수 있다. As described above, in the series resonant DC / DC converter having the step-down function according to the present invention, the first to fourth switches S1 to S4 (each antiparallel diode D1 to D4 according to the switching control signal of the controller 170). In the powering mode, energy is accumulated in the
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 강압 기능을 갖는 직렬 공진형 DC/DC 컨버터의 동작 상태를 설명하기 위한 도면이다. 도 3a 및 도 3b는 파워링 모드에서의 전류 흐름도이고, 도 3c 및 도 3d는 자유공진 모드에서의 전류 흐름도이다. 보다 구체적으로, 도 3a는 1차측의 역병렬 다이오드(D1~D4)가 각각 연결된 4개의 풀 브릿지 스위치(S1~S4) 중 제1 및 제4스위치(S1,S4)가 온 된 상태(이때, 제2 및 제3 스위치(S2,S3)는 오프됨)에서의 전류 흐름도이고, 도 3b는 상기 1차측의 풀 브릿지 스위치(S1~S4) 중 제2 및 제3스위치(S2,S3)가 온 된 상태(이때, 상기 제1 및 제4스 위치(S1,S4)는 오프됨)에서의 전류 흐름도이다. 3A to 3D are diagrams for describing an operating state of a series resonant DC / DC converter having a step-down function according to the present invention. 3A and 3B are current flow charts in a powering mode, and FIGS. 3C and 3D are current flow charts in a free resonance mode. More specifically, FIG. 3A illustrates a state in which the first and fourth switches S1 and S4 are turned on among the four full bridge switches S1 to S4 to which the anti-parallel diodes D1 to D4 on the primary side are connected. 2B is a flow chart of the second and third switches S2 and S3, and FIG. 3B shows the second and third switches S2 and S3 of the primary full bridge switches S1 to S4 turned on. In this state (in which the first and fourth switches S1 and S4 are turned off).
또한, 도 3c는 1차측의 한 조의 제2다이오드(D2) 및 제4스위치(S4)가 온 된 상태(이때, 다른 한 조의 제2스위치(S2) 및 제4다이오드(D4)는 오프됨)에서의 전류 흐름도이고, 도 3d는 1차측의 상기 다른 한조의 제2스위치(S2) 및 제4다이오드(D4)가 온 된 상태(이때, 상기 한 조의 제2다이오드(D2) 및 제4스위치(S4)는 오프됨)에서의 전류 흐름도이다. In addition, in FIG. 3C, a set of the second diode D2 and the fourth switch S4 on the primary side are turned on (at this time, the other set of the second switch S2 and the fourth diode D4 are turned off). 3d shows a state in which the other set of second switch S2 and the fourth diode D4 on the primary side are turned on (at this time, the set of second diode D2 and the fourth switch ( S4) is the current flow diagram in the OFF).
먼저, 도 3a를 참조하면, 파워링 모드에서, 1차측의 제1 및 제4스위치(S1,S4)가 온되고, 상기 제2 및 제3스위치(S2,S3)가 오프된 경우, 직류 전원(110)에서 공급된 전류는 제1스위치(S1), 직렬 공진부(130), 트랜스(140)의 1차 코일(Tr1) 및 제4스위치(S4)를 통해 흐른다. 이때, 상기 전류에 의해 상기 직렬 공진부(130)에는 에너지가 축적됨과 동시에, 상기 트랜스(140)의 1차 코일(Tr1)의 전압에 의해 2차 코일(Tr2)에 전압이 유기된다. 이어, 상기 트랜스(140)의 2차측에 유기된 전압은 정류부(150)에 의해 정류되고, 상기 정류된 전압은 평활 커패시터(160)에 의해 평활된 후 출력 전압(Vo)으로 출력된다.First, referring to FIG. 3A, in the powering mode, when the first and fourth switches S1 and S4 on the primary side are turned on and the second and third switches S2 and S3 are turned off, a DC power source The current supplied from 110 flows through the first switch S1, the
이어, 도 3b에서와 같이, 1차측의 제1 및 제4스위치(S1,S2)는 오프되고, 상기 제2 및 제3스위치(S2,S3)가 온 된 경우, 상기 직류 전원(110)에서 공급된 전류는 제3스위치(S3), 트랜스(140)의 1차 코일(Tr1), 직렬 공진부(130), 제2스위치(S2)를 통해 흐른다. 이 경우에도, 도 3a와 마찬가지로, 상기 전류에 의해 직렬 공진부(130)에는 에너지가 축적됨과 동시에, 상기 트랜스(140)를 통해 2차측으로 에 너지가 전달된다. 단, 전류의 위상이 도 3a와 반대가 된다. 또한, 상기 트랜스(140)의 2차측에 전달된 에너지에 의한 전압은 정류부(150)에 의해 정류되고, 상기 정류된 전압은 평활 커패시터(160)에 의해 평활된 후, 출력 전압(Vo)으로 출력된다.Subsequently, as shown in FIG. 3B, when the first and fourth switches S1 and S2 on the primary side are turned off and the second and third switches S2 and S3 are turned on, the
이와 같이, 파워링 모드에서는 한 조의 제1 및 제4스위치(S1,S4)와, 다른 한 조의 제2 및 제3스위치(S2,S3)가 각 조별로 스위칭을 반복하여 수행함으로써, 상기 직렬 공진부(130)에 에너지를 축적함과 동시에, 상기 트랜스(140)를 통해 2차측으로 에너지를 전달하고, 상기 2차측의 출력단으로 일정 전압을 공급한다. 이때, 상기 제어부(170)가 상기 제1 내지 제4스위치(S1~S4)를 각 조별로 스위칭 제어할 때, 상기 직렬 공진부(130)의 공진 전류가 0(zero)인 시점에서 교대로 반복하여 스위칭하는 것이 바람직하다.As described above, in the powering mode, one set of the first and fourth switches S1 and S4 and another set of the second and third switches S2 and S3 repeatedly perform switching for each group, thereby performing the series resonance. While accumulating energy in the
다음으로, 도 3c 및 도 3d를 참조하여 자유공진 모드에서의 전류 흐름을 설명한다. 상기한 바와 같이, 자유공진 모드에서는 1차측의 제2다이오드(D2) 및 제4스위치(S4)가 한 조를 이루고, 제2스위치(S2) 및 제4다이오드(D4)가 다른 한 조를 이루어 교대로 스위칭된다. 먼저, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 제2다이오드(D2) 및 제4스위치(S4)가 온 되면, 직류 전원(110)의 전류는 상기 직렬 공진부(130) 및 트랜스(140)로 공급되지 않으며, 상기 직렬 공진부(130)에는 더 이상 에너지가 축적되지 않는다. 이 경우, 상기 파워링 모드에서 이미 에너지를 축적한 직렬 공진부(130)에서 공급되는 전류가 상기 트랜스(140), 제4스위치(S4), 제2다이오 드(D2)를 통해 흐르며, 상기 트랜스(140)를 통해 1차측의 전압이 권선비에 따라 2차측으로 전달된다. 상기 2차측으로 전달된 전압은 정류부(150)에 의해 정류되고, 이어 평활 커패시터(160)에 의해 평활된 후, 출력 전압(Vo)으로 출력된다. Next, the current flow in the free resonance mode will be described with reference to FIGS. 3C and 3D. As described above, in the free resonant mode, the second diode D2 and the fourth switch S4 on the primary side form one pair, and the second switch S2 and the fourth diode D4 form another pair. Alternately switched. First, as shown in FIG. 3C, when the second diode D2 and the fourth switch S4 are turned on, the current of the
이어, 상기 제어부(170)의 스위칭 제어에 따라, 상기 제2다이오드(D2) 및 제4스위치(S4)는 오프 되고, 제2스위치(S2) 및 제4다이오드(D4)가 온 되면, 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 파워링 모드에서 이미 에너지를 축적한 직렬 공진부(130)에서 공급되는 전류가 상기 제2스위치(S2), 제4다이오드(D4) 및 트랜스(140)를 통해 흐르며, 상기 트랜스(140)를 통해 1차측의 전압이 권선비에 따라 2차측으로 전달된다. 상기 2차측으로 전달된 전압은 정류부(150)에 의해 정류되고, 이어 평활 커패시터(160)에 의해 평활된 후, 출력 전압(Vo)으로 출력된다. Subsequently, when the second diode D2 and the fourth switch S4 are turned off and the second switch S2 and the fourth diode D4 are turned on according to the switching control of the
이와 같이, 도 3c 및 도 3d에 도시된 자유공진 모드에서는, 상기 직렬 공진부(130)에 이미 저장된 에너지가 점점 줄어들며, 이로써 상기 트랜스(140)를 통해 출력단에 전달되는 전압의 크기도 작아진다. 따라서, 자유 공진 모드에서는 출력 전압이 입력 전압보다 같거나 작게 된다. As described above, in the free resonant mode illustrated in FIGS. 3C and 3D, the energy already stored in the
여기서, 상기 자유공진 모드시, 본 발명의 상세한 설명에는 상기 제어부(170)가 제2,4스위치(S2,S4) 및 제2,4다이오드(D2,D4)의 스위칭을 제어한다고 기재되어 있으나, 도 3c에서와 같이, 제1~3스위치(S1~S3)는 오프시킨 상태에서, 제4스위치(S4)만 온시키면, 상기 직렬 공진부(130)에 저장되어 있던 에너지에 의한 전류가 상기 트랜스(140), 제4스위치(S4)를 통해 흐르게 되며, 상기 전류는 상기 제2다이오드(D2)의 도통으로 인해 상기 직렬 공진부(130)로 흐르게 된다. 이와 같이, 상 기 제어부(170)는 제2다이오드(D2) 및 제4스위치(S4)를 한 조로 하여 온/오프 스위칭 제어를 수행한다고 기재하고 있으나, 이는 제2다이오드(D2)의 도통을 의미하는 것이며, 이러한 역병렬 다이오드(D1~D4)의 도통은 제1~4스위치(S1~S4)를 제어함으로써 구현될 수 있다.Here, in the free resonance mode, the detailed description of the present invention describes that the
나아가, 상기 제어부(170)는 상기 제1 내지 제4스위치(S1~S4)의 스위칭을 제어하여, 파워링 모드 및 자유공진 모드의 동작시간을 적절히 제어함으로써 원하는 출력전압을 얻을 수 있게 된다. 이와 같이, 상기 파워링 모드 및 자유공진 모드의 동작 시간의 비에 따라 원하는 출력 전압이 결정되는데, 여기서, 듀티비(duty ratio)는 하기 수학식 1과 같이 정의된다.In addition, the
[수학식 1][Equation 1]
듀티비(duty ratio) = Pt / (Pt + Rt)Duty ratio = Pt / (Pt + Rt)
여기서, Pt는 파워링 모드 실행시간이고, Rt는 자유공진 모드 실행시간이다.Where Pt is the powering mode execution time and Rt is the free resonance mode execution time.
예를 들어, 상기 수학식 1에서와 같이, 큰 전압의 출력을 위해서는 파워링 모드의 실행시간을 높여 상기 듀티비를 상대적으로 크게 하고, 작은 전압의 출력을 위해서는 자유공진 모드의 실행시간을 높여 상기 듀티비를 상대적으로 작게 한다. 여기서, 상기한 큰 전압 및 작은 전압은 각가 입력전압보다 작거나 같다.For example, as shown in
이와 같이, 상기 제어부(170)에서 상기 풀 브릿지의 제1 내지 제4스위치(S1~S4)(역병렬 다이오드(D1~D4)를 포함)의 스위칭을 제어함으로써, 출력단의 전압 이 항상 입력 전압보다 같거나 작게 된다. 여기서, 상기 제어부(170)는 상기 제1 및 제4스위치(S1,S4)를 한 조로하여 온/오프 하고, 상기 제2 및 제3스위치(S2,S3)를 다른 한조로 하여, 각 조별로 교대로 온/오프 함으로써, 파워링 모드에서 직렬 공진부(130)에 에너지를 출력한다. 또한, 상기 제어부(170)는 상기 한 조의 제2다이오드(D2) 및 제4스위치(S4)와, 다른 한 조의 제2스위치(S2) 및 제4다이오드(D4)를 교대로 온/오프 스위칭 함으로써, 자유공진 모드에서 상기 직렬 공진부(130)에 축적된 에너지를 이용하여 상기 트랜스(140)를 통해 2차측으로 전압을 전달함다. 이러한 파워링 모드를 위한 제1 내지 제4스위치(S1~S4)의 스위칭 주기 및 자유공진 모드를 위한 제2,4스위치(S2,S4) 및 다이오드(D2,D4)의 스위칭 주기를 도 4의 (a) 및 (b)를 참조하여 설명한다.As such, the
도 4의 (a)는 본 발명의 직렬 공진부의 공진주기 및 스위치부의 스위칭 주기 를 설명하는 도면이다. 도 4(a)를 참조하면, 직렬 공진부(130)의 공진 전류는 구형파 전류이다. 상기 공진 전류가 0인 시점에서 상기 제1,4스위치(S1,S4)를 온시킴과 동시에 상기 제2,3스위치(S2,S3)를 오프시킨다. 이때의 회로 동작은 도 3a에서 설명한 바와 같다. 또한, 공진 전류가 다시 0이 되는 시점에서, 상기 제2,3스위치(S2,S3)를 온 시킴과 동시에 상기 제1,4스위치(S1,S4)를 오프시킨다. 이때의 회로 동작은 도 3b에서 설명한 바와 같다.4A is a diagram for explaining the resonance period of the series resonance unit and the switching period of the switch unit of the present invention. Referring to FIG. 4A, the resonance current of the
또한, 도 4(b)를 참조하면, 상기 직렬 공진부(130)의 공진 전류가 0인 시점에서, 한 조의 제2다이오드(D2) 및 제4스위치(S4)를 온시킴과 동시에, 다른 한 조 의 상기 제2스위치(S2) 및 제4다이오드(D4)를 오프시킨다. 이때의 회로 동작은 도 3c에서 설명한 바와 같다. 또한, 상기 공진 전류가 다시 0이 되는 시점에서, 상기 제2다이오드(D2) 및 제4스위치(S4)를 오프시킴과 동시에 상기 제2스위치(S2) 및 제4다이오드(D4)를 온시킨다. 이때의 회로 동작은 도 3d에서 설명한 바와 같다.In addition, referring to FIG. 4B, when the resonance current of the
이와 같이, 최적의 스위칭을 위하여 상기 스위치(S1~S4)(역병렬 다이오드(D1~D4)를 포함)는, 상기한 바와 같이 각 조별로 구분되어, 상기 직렬 공진부(130)의 공진 주기의 반에서 교대로 스위칭되는 것이 바람직하다.As described above, the switches S1 to S4 (including the anti-parallel diodes D1 to D4) are divided into respective groups as described above, and thus the resonance period of the
상기에서 알 수 있듯이, 상기 스위치(S1~S4)와, 상기 제2스위치(S2) 및 제4스위치(S4)에 역병렬로 각각 연결된 다이오드(D2,D4)의 스위칭 제어에 따라, 상기 트랜스(140)을 통해 상기 출력단으로 전압이 전달되며, 또한 파워링 모드와 자유공진 모드의 실행시간에 따라 상기 트랜스(140)의 2차측으로는 전압의 크기가 결정된다. 즉, 파워링 모드의 실행시간을 길게 하면 출력전압(입력전압보다는 작음)이 상승한다.As can be seen from the above, according to the switching control of the switches (S1 ~ S4) and the diodes (D2, D4) connected in anti-parallel to the second switch (S2) and the fourth switch (S4), respectively, The voltage is transmitted to the output terminal through 140, and the magnitude of the voltage is determined on the secondary side of the
나아가, 상기 트랜스(140)를 통해 2차측으로 전달된 전압은 정류부(160)에서 전파 정류되고, 상기 정류된 전압은 평활 커패시터(170)에 의해 평활된 후 출력된다.Furthermore, the voltage transferred to the secondary side through the
본 발명의 기본 회로도가 도 2에 도시되어 있으나, 본 발명의 회로 스위칭 모드는 도 3a 내지 도 3d에 나타난 바와 같이 4가지 모드로 구성될 수 있다. 풀 브 릿지의 제1 내지 제4스위치(S1~S4)는 직류 공진부의 공진 전류가 0인 시점에서 온/오프를 반복하여 동작되며, 최적의 스위칭을 위해서 공진 주기의 반에서 항상 스위칭이 이루어진다. Although the basic circuit diagram of the present invention is shown in FIG. 2, the circuit switching mode of the present invention can be configured in four modes as shown in FIGS. 3A to 3D. The first to fourth switches S1 to S4 of the full bridge are repeatedly operated on and off when the resonant current of the DC resonator is 0, and switching is always performed at half of the resonant period for optimal switching.
상술한 바와 같이, 역병렬 다이오드가 각각 연결된 풀 브릿지의 제1 내지 제4스위치를 스위칭하고, 제2,4다이오드의 스위칭을 제어함으로써, 출력단에 입력 전압보다 낮은 전압을 출력할 수 있으며, 또한 스위칭 주기와 공진 주기를 동기시켜, 보다 확실한 영전류 스위칭(ZCS)을 보장할 수 있다.As described above, by switching the first to fourth switches of the full bridge to which the anti-parallel diodes are connected, and controlling the switching of the second and fourth diodes, a voltage lower than the input voltage can be output to the output terminal, and the switching By synchronizing the period with the resonant period, more reliable zero current switching (ZCS) can be guaranteed.
여기서, 주의할 것은, 본 발명의 상세한 설명 및 도면에는 자유공진 모드시, 제2다이오드(D2) 및 제4스위치(S4)를 한 조로 하고, 제2스위치(S2) 및 제4다이오드(D4)를 다른 한 조로 하여 교대로 스위칭하여, 자유공진 모드를 수행하는 것으로 개시되어 있으나, 이는 일례에 불과하다. 따라서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기한 일례를 참고하여 다른 스위치들을 각 조별로 구성할 수도 있을 것이다. 예를 들어, 제1다이오드(D1) 및 제3스위치(S3)를 한 조로 하고, 제1스위치(S1) 및 제3다이오드(D3)를 다른 한 조로 구성하여, 각 조별로 교대로 스위칭함으로써, 자유공진 모드를 구현할 수 있을 것이다. Here, it should be noted that in the detailed description and the drawings of the present invention, in the free resonant mode, the second diode D2 and the fourth switch S4 are grouped together, and the second switch S2 and the fourth diode D4 are used. Is alternately switched to another group to perform the free resonant mode, but this is only an example. Therefore, one of ordinary skill in the art to which the present invention pertains may refer to the above example and configure other switches for each group. For example, by combining the first diode D1 and the third switch S3 into one pair, the first switch S1 and the third diode D3 into another pair, and alternately switching each group, Free resonant mode could be implemented.
이상에서 설명한 상세한 설명 및 도면의 내용은, 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명한 것이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변경 또는 삭제가 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 상세한 설명 및 도면에 의해 결 정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위에 의해 결정되어져야 할 것이다.The detailed description and contents of the drawings described above are limited to the preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited thereto. It will be possible to substitute, change or delete the component according to the present invention within the scope of the technical idea of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should be determined by the appended claims rather than by the foregoing description and drawings.
본 발명의 강압 기능을 갖는 직렬 공진형 DC/DC 컨버터를 이용하면, 스위칭 손실을 최소화하면서 출력단에서 입력 전압보다 낮은 전압을 출력할 수 있다.Using the series resonant DC / DC converter having the step-down function of the present invention, it is possible to output a voltage lower than the input voltage at the output terminal while minimizing switching losses.
또한, 본 발명의 직렬 공진형 DC/DC 컨버터에 의하면, 직렬 공진회로를 이용하여 보다 확실한 영전류 스위칭(ZCS)을 수행할 수 있다.Further, according to the series resonant DC / DC converter of the present invention, more reliable zero current switching (ZCS) can be performed by using a series resonant circuit.
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