KR101412352B1 - Dc-dc convert - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 직류-직류 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스위칭 동작에 따른 손실을 최소화하도록 회로를 구성하면서 영(Zero) 전류 스위칭 방식을 통해 입력전압을 승압할 수 있도록 한 직류-직류 컨버터에 관한 것이다. The present invention relates to a DC-DC converter, and more particularly, to a DC-DC converter capable of boosting an input voltage through a zero current switching scheme while configuring a circuit to minimize a loss due to a switching operation will be.
직류-직류 컨버터는 입력되는 직류전압을 변환하여 상이한 전위의 직류전압을 출력하는 회로로서, 직류전원의 승압이 필요한 대부분의 전기, 전자 분야 등에 활용되고 있다. A DC-DC converter is a circuit that converts an input DC voltage and outputs a DC voltage of a different potential. The DC-DC converter is utilized in most electric and electronic fields that require boosting of a DC power source.
이와 같은 직류-직류 컨버터의 경우, 다른 여타의 회로 구성과 마찬가지로 일정 조건을 충족하면서도 이에 대한 회로는 간단하게 구성하는 방안으로 연구 개발이 진행되고 있다. 즉 회로를 구성하는 소자가 많으면 많을수록 그만큼 소자 자체에서의 손실 및 동작 중에 발생하는 손실 등은 증가할 수밖에 없기 때문이다. 직류-직류 컨버터 역시 입력 전압을 일정 비율로 승압하기 위한 회로를 구성함에 있어 목적하는 승압 비율을 제공하면서도 손실을 최소화할 수 있는 방안이 모색되고 있다. In the case of such a DC-DC converter, research and development are proceeding as a method of constructing a simple circuit for the DC-DC converter while satisfying certain conditions as in the other circuit configurations. That is, the greater the number of elements constituting the circuit, the greater the loss in the element itself and the loss occurring during operation. DC-DC converters are also finding ways to minimize the losses while providing the desired boost ratio in constructing a circuit for boosting the input voltage at a certain rate.
하지만, 현재 채택되고 있는 대부분의 직류-직류 컨버터는 많은 수의 능동소자 및 수동소자들이 포함되어 회로 자체가 복잡하게 구성되어 있다. 아울러 전압 승압을 위한 스위칭 동작도 그 제어방식이 번거로웠다. 뿐만 아니라, 종래 직류-직류 컨버터는 승압 범위가 일정 범위 이내로 제한되고 있다. 예컨대, 전압 승압을 위해 제공되는 부스트 컨버터(boost converter)는 기생저항 때문에 직류전원의 승압 비가 2.5 이하의 범위로 제한되는 것이다.However, most DC-DC converters currently in use include a large number of active and passive components, making the circuit itself complex. In addition, the switching operation for voltage step-up was also complicated. In addition, the conventional DC-DC converter is limited in the step-up range within a certain range. For example, the boost converter provided for the voltage step-up is limited to a range of 2.5 or less because of the parasitic resistance.
이를 해결하기 위해 종래에도 다양한 방식의 직류-직류 컨버터가 제안된 바 있다. In order to solve this problem, various DC-DC converters have been proposed.
그럼에도 직류-직류 컨버터는 입력 전압을 승압하는 과정에서 여전히 복잡한 스위칭 동작을 해결하지 못하였고, 이에 따른 스위칭 동작에 의한 손실을 저감하지 못하고 있다. 그렇기 때문에 여전히 손실 발생을 보상하기 위해 능동소자 및 수동소자를 할 수밖에 없어 복잡한 스위칭 동작 및 손실이 발생하는 악순환이 반복되고 있다. Nevertheless, the DC-DC converter can not solve the complicated switching operation during the step-up of the input voltage, and thus the loss due to the switching operation can not be reduced. Therefore, active elements and passive elements are still required to compensate for the occurrence of losses, and a vicious cycle in which complicated switching operations and losses occur is repeated.
그리고, 직류-직류 컨버터는 승압 비가 제한되고 있기 때문에 직류-직류 컨버터가 채용된 장치가 요구하는 전압 비율을 맞추기가 사실상 어려운 점이 있었다. In addition, since the step-up ratio is limited in the DC-DC converter, it is practically difficult to adjust the voltage ratio required by the device employing the DC-DC converter.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 회로 구성을 간단하게 하며 스위칭 소자의 스위칭 동작이 영(zero) 전류 제어 방식에 의해 이루어지도록 하여 입력전압을 승압할 수 있도록 하는 직류- 직류 컨버터를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide a DC-DC converter which can simplify a circuit configuration and perform a switching operation of a switching element by a zero current control method, Converter.
본 발명의 다른 목적은 단일의 직류-직류 컨버터를 적어도 둘 이상 서로 결합하여 원하는 승압 비를 조절할 수 있도록 하는 것이다. Another object of the present invention is to combine at least two DC-DC converters with each other so that a desired step-up ratio can be adjusted.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 입력 전원전압에 연결된 제1 인덕터; 상기 제1 인덕터와 병렬 연결되는 제1 스위칭 소자; 상기 제1 스위칭 소자와 직렬 연결되는 제2 스위칭 소자; 상기 제2 스위칭 소자가 턴-온 동작시 상기 입력 전원전압의 전원전압을 충전하는 커패시터; 및 상기 제1 스위칭 소자가 턴-온 동작시 상기 커패시터에 충전된 전원전압을 승압하여 출력하도록 제2 인덕터 및 출력 커패시터를 포함하는 직류-직류 컨버터를 제공한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a first inductor connected to an input power supply voltage; A first switching device connected in parallel with the first inductor; A second switching element connected in series with the first switching element; A capacitor for charging the power supply voltage of the input power supply voltage when the second switching element is turned on; And a second inductor and an output capacitor for boosting the power supply voltage charged in the capacitor during the turn-on operation of the first switching device and outputting the boosted voltage.
상기 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자는 영(zero) 전류 스위칭 동작하고, 상기 제1 스위칭 소자 또는 제2 스위칭 소자가 턴-온 될 때 상기 제2 스위칭 소자 또는 제1 스위칭 소자는 턴-오프 됨을 특징으로 한다. Wherein the first switching device and the second switching device operate in a zero current switching mode and the second switching device or the first switching device is turned off when the first switching device or the second switching device is turned on, .
상기 제1 스위칭 소자, 제2 스위칭 소자 및 커패시터는 각각 적어도 둘 이상이 구성됨을 특징으로 한다. At least two of the first switching device, the second switching device, and the capacitor are formed.
상기 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자는, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 임을 특징으로 한다. The first switching device and the second switching device are insulated gate bipolar transistors (IGBTs).
본 발명의 다른 특징에 따르면, 복수의 입력 전원전압을 공급하는 전원 공급부; 및 상기 전원 공급부에 각각 연결되어 입력 전원전압을 독립적으로 공급받는 복수의 서브 직류-직류 컨버터를 포함하고, 상기 서브 직류-직류 컨버터는 서로 직렬로 연결되며, 상기 서브 직류-직류 컨버터의 개수에 따라 승압비가 조절되는 직류-직류 컨버터를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a power supply apparatus including: a power supply unit that supplies a plurality of input power supply voltages; And a plurality of sub DC-DC converters each connected to the power supply unit and independently supplied with an input power supply voltage, wherein the sub DC-DC converters are connected in series to each other, and the number of the sub DC- The DC / DC converter has a step-up ratio controlled.
상기 서브 직류-직류 컨버터는, 상기 입력 전원전압과 연결된 제1 인덕터; 상기 제1 인덕터와 병렬 연결되는 제1 및 제2 스위칭 소자; 상기 제1 및 제2 스위칭 소자와 각각 직렬 연결되는 제3 및 제4 스위칭 소자; 상기 제3 및 제4 스위칭 소자가 턴-온 동작할 때 상기 입력 전원전압을 충전하도록 상기 제1 인덕터와 상기 제3 및 제4 스위칭 소자 사이에 연결되는 제1 및 제2 커패시터를 포함하고, 상기 제3 및 제4 스위칭 소자가 턴-오프 되고, 상기 제1 및 제2 스위칭 소자가 턴-온 동작할 때 상기 제1 및 제2 커패시터에 충전된 전원전압을 승압하여 출력함을 특징으로 한다. The sub DC-DC converter includes: a first inductor connected to the input power supply voltage; First and second switching elements connected in parallel with the first inductor; Third and fourth switching elements serially connected to the first and second switching elements, respectively; And first and second capacitors connected between the first inductor and the third and fourth switching elements to charge the input power supply voltage when the third and fourth switching elements turn on, The third and fourth switching elements are turned off, and when the first and second switching elements are turned on, the power source voltage charged in the first and second capacitors is boosted and output.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 입력 전원전압을 공급하는 전원 공급부; 및 상기 입력 전원전압을 승압 출력하는 적어도 둘 이상의 서브 직류-직류 컨버터를 포함하고, 상기 서브 직류-직류 컨버터는 서로 병렬로 연결되며, 상기 서브 직류-직류 컨버터를 구성하는 스위칭 소자 및 커패시터의 개수에 따라 전체 승압비가 조절되는 직류-직류 컨버터를 제공한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a power supply apparatus including: a power supply unit for supplying an input power supply voltage; And at least two sub DC-DC converters for boosting the input power supply voltage, wherein the sub DC-DC converters are connected in parallel with each other, and the number of switching elements and capacitors constituting the sub DC- Thereby providing a DC-DC converter whose overall boost ratio is adjusted.
상기 서브 직류-직류 컨버터는 승압한 전원전압을 인접한 다른 서브 직류-직류 컨버터로 전달함을 특징으로 한다. And the sub DC-DC converter transfers the boosted power supply voltage to another adjacent DC-DC converter.
상기 서브 직류-직류 컨버터는, 상기 입력 전원전압과 연결된 제1 인덕터; 상기 제1 인덕터와 병렬 연결되는 제1 및 제2 스위칭 소자; 상기 제1 및 제2 스위칭 소자와 각각 직렬 연결되는 제3 및 제4 스위칭 소자; 상기 제3 및 제4 스위칭 소자가 턴-온 동작할 때 상기 입력 전원전압을 충전하도록 상기 제1 인덕터와 상기 제3 및 제4 스위칭 소자 사이에 연결되는 제1 및 제2 커패시터를 포함하고, 상기 제1 및 제2 스위칭 소자가 턴-온 동작할 때 상기 제1 및 제2 커패시터에 충전된 전원전압이 출력됨을 특징으로 한다. The sub DC-DC converter includes: a first inductor connected to the input power supply voltage; First and second switching elements connected in parallel with the first inductor; Third and fourth switching elements serially connected to the first and second switching elements, respectively; And first and second capacitors connected between the first inductor and the third and fourth switching elements to charge the input power supply voltage when the third and fourth switching elements turn on, And the power supply voltage charged in the first and second capacitors is outputted when the first and second switching elements turn on.
이와 같은 본 발명의 직류-직류 컨버터에 따르면 다음과 같은 효과가 있다. The DC-DC converter of the present invention has the following effects.
본 발명은 영(zero) 전류 스위칭 동작하는 스위치 및 스위치의 턴-온 동작시 입력 전원전압을 커패시터에 충전하고 다른 스위치의 턴-온 동작시 그 커패시터에 충전된 입력 전원전압이 일정 비율로 승압하여 출력되도록 최소한의 소자 개수만으로 직류-직류 컨버터를 구성하고 있다. The present invention is characterized in that the input power voltage is charged in a capacitor during a turn-on operation of a switch and a switch operating in a zero current mode and the input power voltage charged in the capacitor is stepped up at a certain rate The DC-DC converter is constituted by a minimum number of elements.
이에 따라 종래 직류-직류 컨버터에 비해 스위칭 동작시 발생하는 손실 및 소자 자체적인 손실을 줄일 수 있고, 커패시터의 개수를 조절하면 그에 맞는 승압 비를 제공할 수 있다. Accordingly, compared to the conventional DC / DC converter, losses occurring in the switching operation and the device itself can be reduced. If the number of capacitors is adjusted, the boost ratio can be provided.
그리고 본 실시 예와 같은 직류-직류 컨버터는 전원전압이 입력되는 입력 전원단(VS)의 전류가 정현파(sine wave)와 근접한 파형을 가지기 때문에, 입력단의 필터 설계가 쉽고 필터 용량 및 사이즈가 저감되는 효과를 기대할 수 있다. In the DC-DC converter according to the present embodiment, since the current of the input power supply terminal V S to which the power supply voltage is input has a waveform close to the sine wave, the filter design of the input stage is easy and the filter capacity and size are reduced The effect can be expected.
또한 본 실시 예는 직류-직류 컨버터를 둘 이상 조합하여 모듈화하면 보다 높은 고(高) 전압을 공급할 수도 있게 된다. Also, in this embodiment, if a DC-DC converter is modularized by combining two or more DC-DC converters, a higher voltage can be supplied.
따라서 본 발명은 기존의 직류-직류 컨버터보다 간단한 구조와 간단한 스위칭 제어에 의해 손실은 최소화하면서 목적한 승압 비로 직류 전압을 승압할 수 있는 효과가 있다. Therefore, the present invention has the effect of boosting the DC voltage with a desired step-up ratio while minimizing the loss by a simple structure and simple switching control over the conventional DC-DC converter.
이와 같은 본 발명은 직류전원의 승압이 필요한 대부분의 전기, 전자 분야에 적용할 수 있음은 물론, 직류 송전이 필요한 해상 풍력, 태양광 발전 장치, 고 전압이 요구되는 X-ray 및 레이더 장치 등에 적용할 수 있어 상업상 가치가 증대되는 기대가 있다. The present invention can be applied not only to most electric and electronic fields requiring boosting of a DC power source, but also to an offshore wind power, a solar power generation device, an X-ray and a radar device requiring a high voltage There is an expectation that commercial value will increase.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직류-직류 컨버터의 회로 구성도
도 2 및 도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직류-직류 컨버터가 영(zero) 전류 스위칭 동작하여 승압된 상태의 전원전압을 부하 저항 측에 제공하는 상태를 보인 도면
도 4는 본 발명의 다른 실시 예를 보인 모듈화된 직류-직류 컨버터의 구성도
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예를 보인 모듈화된 직류-직류 컨버터의 구성도1 is a circuit diagram of a DC-DC converter according to a preferred embodiment of the present invention;
FIGS. 2 and 3 are diagrams showing a state in which a DC-DC converter according to a preferred embodiment of the present invention performs a zero current switching operation to provide a power supply voltage in a boosted state to the load resistance side
4 is a block diagram of a modular DC-DC converter according to another embodiment of the present invention.
5 is a block diagram of a modular DC-DC converter according to another embodiment of the present invention.
이하 본 발명에 의한 직류-직류 컨버터의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of a DC-DC converter according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직류-직류 컨버터의 회로 구성도이다. 1 is a circuit diagram of a DC-DC converter according to a preferred embodiment of the present invention.
도 1에 도시한 바와 같이 직류-직류 컨버터(100)는, 입력 전원단(VS), 입력 전원단(VS)과 연결되는 승압 처리부(110) 및 승압 처리부(110)에서 승압된 전압을 출력하는 출력부(120)를 포함한다. Direct current as shown in Fig. 1 -
승압 처리부(110)는 입력 전원단(VS)의 전원 전압을 일정 레벨로 승압시키는 동작을 수행하며, 그 구성은 다음과 같다. The
입력 전원단(VS)의 (+) 단자에 일단이 연결되어 전압을 유도하는 인덕터(L1)가 연결된다. 그리고 상기 인덕터(L1)의 타단과 상기 입력 전원단(VS)의 (-) 단자 사이에 제1 내지 제4 스위치(S1)(S2)(S3)(S4)가 연결된다. And an inductor L 1 whose one end is connected to the (+) terminal of the input power supply stage V S to induce the voltage is connected. The first to fourth switches S 1 , S 2 , S 3 and S 4 are connected between the other terminal of the inductor L 1 and the negative terminal of the input power source V S .
여기서, 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)가 직렬 연결되며, 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)가 직렬 연결된다. 즉 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)와 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)는 상기 인덕터(L1)의 타단과 상기 입력 전원단(VS)의 (-) 단자 사이에서 서로 병렬 연결된 구조를 갖는다. Here, the first switch S 1 and the third switch S 3 are connected in series, and the second switch S 2 and the fourth switch S 4 are connected in series. That is, the first switch S 1 and the third switch S 3 , the second switch S 2 and the fourth switch S 4 are connected to the other end of the inductor L 1 and the input power supply terminal V S , (-) terminals of the first and second transistors.
상기 제1 내지 제4 스위치(S1)(S2)(S3)(S4) 중에서 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)는 서로 반대의 동작을 갖는다. 다시 말해 제1 및 제2 스위치(S1)(S2)가 턴-온(turn-on) 상태이면 제3 및 제4 스위치(S3)(S4)는 턴-오프(turn off) 상태로 동작한다. The first to fourth switches (S 1) (S 2) (S 3) (S 4) from the first switch (S 1) and second switch (S 2) and the third switch (S 3) and fourth The switches S 4 have opposite operations. In other words, if the first and second switches S 1 and S 2 are in the turn-on state, the third and fourth switches S 3 and S 4 are turned off .
이와 같은 상기 제1 내지 제4 스위치(S1)(S2)(S3)(S4)는 실시 예에서는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)가 채택된다. 또한 상기 제1 내지 제4 스위치(S1)(S2)(S3)(S4)는 영(zero) 전류 스위칭 동작한다. 즉 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 또는 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)는 전류가 영(zero)이 되는 순간에 스위칭 동작하는 것이다. The first to fourth switches S 1 , S 2 , S 3 , and S 4 , in this embodiment, employ an insulated gate bipolar transistor (IGBT). Also, the first to fourth switches S 1 , S 2 , S 3 , and S 4 perform a zero current switching operation. That is, the first switch S 1 and the second switch S 2 or the third switch S 3 and the fourth switch S 4 perform a switching operation at the moment when the current becomes zero.
상기 제3 스위치(S3)의 컬렉터 측에는 제1 다이오드(D1) 및 제1 커패시터(C1)가 직렬 연결된다. 그리고 상기 제1 다이오드(D1)의 출력은 제2 스위치(S2)의 컬렉터 측과 연결된다. A first diode D 1 and a first capacitor C 1 are connected in series to the collector side of the third switch S 3 . The output of the first diode (D 1 ) is connected to the collector side of the second switch (S 2 ).
상기 제4 스위치(S4)의 컬렉터 측에는 제2 다이오드(D2) 및 제2 커패시터(C2)가 직렬 연결된다. 그리고 제4 스위치(S4)의 컬렉터와 제2 커패시터(C2) 사이에 제2 스위치(S2)의 이미터가 연결된다. A second diode (D 2 ) and a second capacitor (C 2 ) are connected in series to the collector side of the fourth switch (S 4 ). And an emitter of the second switch S 2 is connected between the collector of the fourth switch S 4 and the second capacitor C 2 .
다음 상기와 같이 구성된 승압 처리부(110)에서 승압한 전압이 출력되는 출력부(120)의 구성이다. Next, the configuration of the
출력부(120)는 제2 인덕터(L2) 및 제3 다이오드(D3), 출력 커패시터(Cout)를 포함한다. 제2 인덕터(L2) 및 제3 다이오드(D3), 출력 커패시터(Cout)는 제2 다이오드(D2)와 직렬 연결되는 구성이고, 또한 출력 커패시터(Cout)는 부하 저항(Rload)과는 병렬로 연결되는 구성을 제공하고 있다. The
이어서는 상기의 구성을 갖는 직류-직류 컨버터의 동작을 살펴보기로 한다. 이의 동작은 실질적으로 입력전압을 승압시켜 출력시키는 것이라 볼 수 있다. 그리고 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 또는 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)가 순차적으로 턴 -온 및 턴-오프 동작하여 수행되기 때문에, 도 2 및 도 3를 참조하면서 설명하기로 한다. Next, the operation of the DC-DC converter having the above configuration will be described. This operation can be regarded as substantially boosting the input voltage and outputting it. Since the first switch S 1 and the second switch S 2 or the third switch S 3 and the fourth switch S 4 are sequentially performed by turn-on and turn-off operations, And FIG. 3, respectively.
먼저 입력 전원단(VS)에서 전원전압이 인가되는 상태에서 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)에 흐르는 전류가 영(zero)가 되는 시점(즉 1/2 사이클)에 턴-온 동작한다. 이때 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)는 턴-오프 동작 상태이다. 이의 상태는 도 2에 도시되어 있다. At a time point when the current flowing in the third switch S 3 and the fourth switch S 4 becomes zero at a time when the power supply voltage is applied at the input power supply stage V S Turn-on operation. At this time, the first switch S 1 and the second switch S 2 are in a turn-off operation state. This state is shown in Fig.
도 2를 살펴보면, 4개의 스위치 중에서 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4)만 먼저 턴-온 상태이기 때문에, 입력 전원단(VS)의 전원전압은 제1 다이오드(D1) 및 제1 커패시터(C1)와 제2 다이오드(D2) 및 제2 커패시터(C2)를 통해 흐르게 된다. 따라서 입력 전원단(VS)의 전원전압은 상기 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)에 각각 충전되게 된다. Referring to FIG. 2, since only the third switch S 3 and the fourth switch S 4 among the four switches are turned on first, the power supply voltage of the input power supply stage V S is higher than the power supply voltage of the first diode D 1 ) And the first capacitor (C 1 ), the second diode (D 2 ) and the second capacitor (C 2 ). Therefore, the power supply voltage of the input power supply stage V S is charged to the first capacitor C 1 and the second capacitor C 2 , respectively.
그리고 일정 시간이 경과하면, 예컨대 상기 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)에 충전이 완료된 시점(즉 1 사이클)이 되면, 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4)는 턴-오프 상태가 되고, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)는 영(zero) 전류 스위칭 동작하여 턴-온 상태가 된다. When the charging of the first capacitor C 1 and the second capacitor C 2 is completed (i.e., one cycle), the third switch S 3 and the fourth switch S 4 are turned off and the first switch S 1 and the second switch S 2 are turned on by a zero current switching operation.
그렇게 되면, 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)에 충전된 전원 전압은 출력부(120)로 전달된다. Then, the power supply voltage charged in the first capacitor C 1 and the second capacitor C 2 is transmitted to the
출력부(120)로 전달된 전원전압은 제2 인덕터(L2) 및 제3 다이오드(D3)를 거쳐 출력 커패시터(Cout)로 전달되어 부하 저항(Rload)에 제공된다. 이때 부하 저항(Rload)에 제공되는 전압은 입력된 전원전압의 3배에 해당하는 전압이 된다. The power supply voltage delivered to the
이처럼 본 실시 예는 기존의 직류-직류 컨버터에 비해 회로 구성을 간단하게 하면서도 입력 전원전압을 3배 정도 승압하여 제공할 수 있음을 알 수 있다. 즉 승압비는 (n+1)＾m이고 (여기서, n= 커패시터 수, m= 직렬 연결된 모듈 수로서 stage 개수임), 따라서 도 1의 회로는 커패시터가 2개이고 stage는 1개이기 때문에, 출력전압이 입력전압의 3배로 승압되는 것이다. As described above, it can be seen that the present embodiment can provide the input power voltage up to three times higher than that of the conventional DC-DC converter while simplifying the circuit configuration. That is, the boost ratio is (n + 1) ^ m (where n = number of capacitors, m = number of stages in the number of modules connected in series), and therefore the circuit of FIG. 1 has two capacitors and one stage, The voltage is boosted to three times the input voltage.
한편, 실시 예에서는 입력 전원전압을 3배로 승압하는 예를 설명하고 있으나, 그 승압 비는 커패시터의 소자 개수 또는/및 stage 개수를 조절함으로써 그 이상의 승압 비를 구현할 수도 있을 것이다. 즉, 턴-온 및 턴-오프 되는 스위칭 소자를 추가하면서 턴-온 상태일 때 전원전압을 충전하는 커패시터도 함께 추가하여 직류-직류 컨버터 회로를 구성하게 되면 승압 비를 확장시킬 수 있는 것이다. Meanwhile, although the example in which the input power supply voltage is increased by a factor of three is described in the embodiment, the boost ratio may be realized by adjusting the number of elements and / or the number of stages of the capacitors. That is, when a DC-DC converter circuit is constituted by adding a capacitor for charging the power supply voltage while the switching element is turned on and turned off while the power supply is turned on, the step-up ratio can be expanded.
이러한 실시 예는 도 4 및 도 5를 참조하기로 한다.This embodiment will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예를 보인 직류-직류 컨버터의 구성도이다. 도 4는 도 1에 도시한 직류-직류 컨버터를 하나의 셀(cell)로 표시하기로 한다.4 is a configuration diagram of a DC-DC converter according to another embodiment of the present invention. FIG. 4 shows the DC-DC converter shown in FIG. 1 as one cell.
이를 보면, 전원 공급부(VS)를 멀티(multi) 단자(1 ~ m)로 구현하고, 복수 개의 셀(Cell1 ~ Cellm)은 전원 공급부(VS)로부터 각각 직류 전원전압을 공급받도록 한다. 아울러 상기 복수 개의 셀(Cell1 ~ Cellm)의 각각은 직렬로 연결한다. In this case, the power supply unit V s is implemented as a
그리고 출력단(HVDC Grid)은 첫 번째 셀(Cell1)과 제일 마지막 셀(Cellm)로부터 공급받도록 한다. The output stage (HVDC Grid) is supplied from the first cell (Cell 1 ) and the last cell (Cell m ).
이렇게 직류-직류 컨버터를 직렬 연결하면 그 출력단(HVDC Grid)에서는 전원 공급부(VS)의 직류 전원전압이 고전압(high voltage)로 승압된 상태로 출력된다. 즉 직류-직류 컨버터의 개수를 조절해서 승압비를 조절할 수 있는 것이다.When the DC-DC converter is connected in series, the DC power supply voltage of the power supply unit V S is boosted to a high voltage at the output terminal (HVDC Grid). That is, it is possible to adjust the step-up ratio by adjusting the number of DC-DC converters.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예를 보인 직류-직류 컨버터의 구성도이다. 5 is a configuration diagram of a DC-DC converter according to another embodiment of the present invention.
도 5를 보면, 직류-직류 컨버터인 셀(cell)이 복수 개이고, 상기 셀(Cell1 ~ Cellm) 들은 입력 전원단(VS)과 서로 병렬로 연결된 구조이다. 5, a plurality of cells are DC-DC converters, and the cells (Cell 1 to Cell m ) are connected in parallel with the input power source (V S ).
그리고 상기 셀(Cell1 ~ Cellm) 각각은 도 1에 도시한 직류-직류 컨버터와 같이 입력 전원전압을 커패시터의 개수에 비례하여 승압시키면서 인접하여 연결된 다른 셀로 전달하게 된다. 다른 셀은 이전 셀로부터 전달받은 승압된 전원전압을 자신과 연결된 또 다른 셀로 전달하고 그 다른 셀은 전달받은 전원전압을 승압하여 또 다른 셀로 전달하는 구조이다. Each of the cells (Cell 1 to Cell m ), like the DC-DC converter shown in FIG. 1, boosts the input power voltage in proportion to the number of capacitors, and transfers the input power voltage to other cells connected to each other. The other cell transfers the boosted power supply voltage received from the previous cell to another cell connected thereto and the other cell boosts the received power supply voltage and transfers the boosted power supply voltage to another cell.
이렇게 함으로써 최종 출력단(HVDC Grid)에서는 입력 전원단(Vin)의 직류 전원전압을 고전압(high voltage)으로 승압하여 출력할 수 있다. Thus, in the final output stage (HVDC Grid), the DC power supply voltage of the input power supply stage (V in ) can be boosted to a high voltage and output.
즉 도 5는 직류-직류 컨버터에 구비된 커패시터 및 스위칭 소자의 개수를 조절하는 것과 같이 회로 자체의 구조를 조절하여 전체적으로 승압비를 조절할 수 있는 것이다. That is, FIG. 5 is a diagram illustrating a method of adjusting the number of the capacitors and the switching elements included in the DC-DC converter and controlling the boosting ratio as a whole by adjusting the structure of the circuit itself.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에서는 직류-직류 컨버터의 회로 구성을 간단하게 하면서도 영 전류 턴-온 동작하는 스위칭 방식에 따라 직류 전원전압을 승압하며, 아울러 직류-직류 컨버터의 커패시터 개수를 조절함으로써 그 승압 비를 확장시킴을 알 수 있다. 또한 직류-직류 컨버터를 복수 개로 구성하여 고압의 직류전압을 제공할 수도 있다. As described above, in the embodiment of the present invention, the circuit configuration of the DC-DC converter is simplified while the DC power supply voltage is boosted according to the switching method in which the zero-current turn-on operation is performed, and the number of capacitors of the DC- The voltage step-up ratio is enlarged. Further, a plurality of DC-DC converters may be provided to provide a high-voltage DC voltage.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It will be apparent that modifications, variations and equivalents of other embodiments are possible. Therefore, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
100 : 직류-직류 컨버터 110 : 승압 처리부
120 : 출력부
S1, S2, S3 ,S4 : 제 1 내지 제 4 스위치
L2, L1 : 제 1 및 제 2 인덕터
D1, D2 , D3 : 제 1 내지 제 3 다이오드100: DC-DC converter 110: Boost processor
120: Output section
S 1 , S 2 , S 3 , S 4 : First to fourth switches
L 2 , L 1 : First and second inductors
D 1 , D 2 , D 3 : the first to third diodes
Claims (9)
상기 제1 인덕터와 병렬 연결되며, 영(zero) 전류 스위칭 동작하는 제1 및 제2 스위칭 소자;
상기 제1 및 제2 스위칭 소자와 각각 직렬 연결되며, 영(zero) 전류 스위칭 동작하는 제3 및 제4 스위칭 소자;
상기 제1 인덕터와 상기 제3 스위칭 소자의 컬렉터 단자 사이에 직렬 연결되는 제1 다이오드 및 제1 커패시터;
상기 제1 인덕터와 상기 제4 스위칭 소자의 컬렉터 단자 사이에 직렬 연결되는 제2 다이오드 및 제2 커패시터;
상기 제2 다이오드와 직렬 연결되는 제2 인덕터 및 제3 다이오드;
상기 제3 다이오드와 직렬 연결되고 부하 저항과는 병렬 연결되는 출력 커패시터를 포함하고,
상기 제1 및 제2 스위칭소자는 턴-오프, 상기 제3 및 제4 스위칭소자가 턴-온 동작하면 상기 입력 전원전압은 상기 제1 및 제2 커패시터에 충전되며,
상기 제1 및 제2 스위칭소자는 턴-온, 상기 제3 및 제4 스위칭소자는 턴-오프 동작하면 상기 제1 및 제2 커패시터에 충전된 전원전압은 승압 비가 상기 입력 전원전압의 3배가 되어 상기 부하 저항에 제공되고,
상기 승압비는 (n+1)⌒m인 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
여기서 n는 커패시터 수, m은 직렬 연결된 모듈 수를 말함. A first inductor connected to an input power supply voltage;
First and second switching elements connected in parallel to the first inductor and performing a zero current switching operation;
Third and fourth switching elements serially connected to the first and second switching elements and performing a zero current switching operation;
A first diode and a first capacitor serially connected between the collector of the first inductor and the collector of the third switching device;
A second diode and a second capacitor serially connected between the collector of the first inductor and the collector of the fourth switching device;
A second inductor and a third diode connected in series with the second diode;
And an output capacitor connected in series with the third diode and connected in parallel with the load resistor,
The first and second switching elements are turned off, and when the third and fourth switching elements are turned on, the input power supply voltage is charged to the first and second capacitors,
When the first and second switching elements are turned on and the third and fourth switching elements are turned off, the power source voltage charged in the first and second capacitors is increased to three times the input power source voltage A load resistor,
Wherein the step-up ratio is (n + 1) & circ & m.
Where n is the number of capacitors and m is the number of modules connected in series.
상기 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자는, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)인 직류-직류 컨버터. The method according to claim 1,
Wherein the first switching element and the second switching element are insulated gate bipolar transistors (IGBTs).
상기 전원 공급부에 각각 연결되어 입력 전원전압을 독립적으로 공급받는 복수의 직류-직류 컨버터를 포함하고,
상기 직류-직류 컨버터는 서로 직렬로 연결되며,
상기 직류-직류 컨버터는,
입력 전원전압과 연결된 제1 인덕터;
상기 제1 인덕터와 병렬 연결되며, 영(zero) 전류 스위칭 동작하는 제1 및 제2 스위칭 소자;
상기 제1 및 제2 스위칭 소자와 각각 직렬 연결되며, 영(zero) 전류 스위칭 동작하는 제3 및 제4 스위칭 소자;
상기 제1 인덕터와 상기 제3 스위칭 소자의 컬렉터 단자 사이에 직렬 연결되는 제1 다이오드 및 제1 커패시터;
상기 제1 인덕터와 상기 제4 스위칭 소자의 컬렉터 단자 사이에 직렬 연결되는 제2 다이오드 및 제2 커패시터;
상기 제2 다이오드와 직렬 연결되는 제2 인덕터 및 제3 다이오드;
상기 제3 다이오드와 직렬 연결되고 부하 저항과는 병렬 연결되는 출력 커패시터를 포함하면서,
상기 제1 및 제2 스위칭소자가 턴-오프, 상기 제3 및 제4 스위칭소자가 턴-온 동작하면 상기 입력 전원전압은 상기 제1 및 제2 커패시터에 충전되며, 상기 제1 및 제2 스위칭소자가 턴-온, 상기 제3 및 제4 스위칭소자가 턴-오프 동작하면 상기 제1 및 제2 커패시터에 충전된 전원전압이 승압되어 상기 부하 저항에 제공되되,
승압비는 (n+1)⌒m인 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
여기서 n는 커패시터 수, m은 직렬 연결된 모듈 수를 말함A power supply unit for supplying a plurality of input power supply voltages; And
And a plurality of DC-DC converters each connected to the power supply unit and independently supplied with an input power voltage,
The DC-DC converter is connected in series with each other,
The DC-DC converter includes:
A first inductor connected to an input power supply voltage;
First and second switching elements connected in parallel to the first inductor and performing a zero current switching operation;
Third and fourth switching elements serially connected to the first and second switching elements and performing a zero current switching operation;
A first diode and a first capacitor serially connected between the collector of the first inductor and the collector of the third switching device;
A second diode and a second capacitor serially connected between the collector of the first inductor and the collector of the fourth switching device;
A second inductor and a third diode connected in series with the second diode;
And an output capacitor connected in series with the third diode and connected in parallel with the load resistor,
When the first and second switching elements are turned off and the third and fourth switching elements are turned on, the input power source voltage is charged to the first and second capacitors, and the first and second switching elements When the element is turned on and the third and fourth switching elements are turned off, the power source voltage charged in the first and second capacitors is stepped up and provided to the load resistor,
And the step-up ratio is (n + 1) & circ & m.
Where n is the number of capacitors and m is the number of modules connected in series
상기 입력 전원전압을 승압 출력하는 적어도 둘 이상의 직류-직류 컨버터를 포함하고,
상기 직류-직류 컨버터는 서로 병렬로 연결되며,
상기 직류-직류 컨버터는,
입력 전원전압과 연결된 제1 인덕터;
상기 제1 인덕터와 병렬 연결되며, 영(zero) 전류 스위칭 동작하는 제1 및 제2 스위칭 소자;
상기 제1 및 제2 스위칭 소자와 각각 직렬 연결되며, 영(zero) 전류 스위칭 동작하는 제3 및 제4 스위칭 소자;
상기 제1 인덕터와 상기 제3 스위칭 소자의 컬렉터 단자 사이에 직렬 연결되는 제1 다이오드 및 제1 커패시터;
상기 제1 인덕터와 상기 제4 스위칭 소자의 컬렉터 단자 사이에 직렬 연결되는 제2 다이오드 및 제2 커패시터;
상기 제2 다이오드와 직렬 연결되는 제2 인덕터 및 제3 다이오드;
상기 제3 다이오드와 직렬 연결되고 부하 저항과는 병렬 연결되는 출력 커패시터를 포함하면서,
상기 제1 및 제2 스위칭소자가 턴-오프, 상기 제3 및 제4 스위칭소자가 턴-온 동작하면 상기 입력 전원전압은 상기 제1 및 제2 커패시터에 충전되며, 상기 제1 및 제2 스위칭소자가 턴-온, 상기 제3 및 제4 스위칭소자가 턴-오프 동작하면 상기 제1 및 제2 커패시터에 충전된 전원전압이 승압되어 상기 부하 저항에 제공되되,
승압비는 (n+1)⌒m인 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터.
여기서 n는 커패시터 수, m은 직렬 연결된 모듈 수를 말함A power supply unit for supplying an input power supply voltage; And
And at least two DC-DC converters for boosting the input power supply voltage,
The DC-DC converters are connected in parallel with each other,
The DC-DC converter includes:
A first inductor connected to an input power supply voltage;
First and second switching elements connected in parallel to the first inductor and performing a zero current switching operation;
Third and fourth switching elements serially connected to the first and second switching elements and performing a zero current switching operation;
A first diode and a first capacitor serially connected between the collector of the first inductor and the collector of the third switching device;
A second diode and a second capacitor serially connected between the collector of the first inductor and the collector of the fourth switching device;
A second inductor and a third diode connected in series with the second diode;
And an output capacitor connected in series with the third diode and connected in parallel with the load resistor,
When the first and second switching elements are turned off and the third and fourth switching elements are turned on, the input power source voltage is charged to the first and second capacitors, and the first and second switching elements When the element is turned on and the third and fourth switching elements are turned off, the power source voltage charged in the first and second capacitors is stepped up and provided to the load resistor,
And the step-up ratio is (n + 1) & circ & m.
Where n is the number of capacitors and m is the number of modules connected in series
상기 직류-직류 컨버터는 승압한 전원전압을 인접한 다른 직류-직류 컨버터로 전달하는 직류-직류 컨버터. 8. The method of claim 7,
The DC-DC converter transfers the boosted power supply voltage to another adjacent DC-DC converter.
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| DE102020123899B3 (en) | 2020-09-14 | 2021-11-25 | E³ Consulting GmbH | Switching device |
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