KR20210063980A - Soft switching converter - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 소프트 스위칭 컨버터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 직렬 입력단과 병렬 출력단으로 구비된 소프트 스위칭 컨버터에 있어 소프트 스위칭 컨버터의 스위치의 전압 정격을 입력 전원의 절반으로 줄일 수 있고, 변압기 2차측에 연결된 캐패시터를 인터리빙함에 따라, 캐패시터의 전류 정격을 줄일 수 있으며, 공진을 이용하여 스위칭 손실을 감소할 수 있는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a soft switching converter, and more particularly, in a soft switching converter having a series input terminal and a parallel output terminal, the voltage rating of the switch of the soft switching converter can be reduced to half that of the input power, and connected to the secondary side of the transformer The present invention relates to a technology capable of reducing a current rating of a capacitor by interleaving the capacitor and reducing switching loss by using resonance.
전기자동차(Electric Vehicles, EVs), 하이브리드 전기자동차 (Hybrid Eelctric Vehicles, HEVs)와 같은 친환경 자동차에 사용되는 저전압 배터리 충전기(Low-voltage DC-DC Converter, LDC)는 고전압 배터리로부터 차량 내 전장시스템에 전력을 공 급하는 저전압 보조배터리를 충전하는 중요 부품이다.Low-voltage DC-DC Converters (LDCs) used in eco-friendly vehicles such as Electric Vehicles (EVs) and Hybrid Electric Vehicles (HEVs) provide power from high-voltage batteries to in-vehicle electronic systems. It is an important part that charges the low-voltage auxiliary battery that supplies
전기 자동차의 충전시간 단축과 일 회 충전에 따른 주행거리 연장을 위해 배터리의 용량 증대에 대한 필요성이 높아지고 있다. In order to shorten the charging time of an electric vehicle and extend the mileage according to a single charge, the need for increasing the capacity of the battery is increasing.
최근에는 800V 배터리 팩을 갖는 전기자동차가 출시되었으며 이에 따라 800V/14V LDC 토폴로지 연구에 대한 필요성이 대두되고 있다. Recently, electric vehicles with 800V battery packs have been released, and accordingly, the need for 800V/14V LDC topology research is emerging.
이러한 필요성에 따라 현재 400V 배터리 팩이 탑재된 전기자동차용 400V/14V LDC에 가장 많이 사용되는 토폴로지는 추가회로 없이 ZVS(Zero Voltage Switch) 턴 온을 성취할 수 있는 위상 천이 풀브리지 컨버터(Phase Shift Full Bridge, PSFB)이다. In response to this need, the most commonly used topology for 400V/14V LDCs for electric vehicles equipped with 400V battery packs is a Phase Shift Full-bridge converter that can achieve ZVS (Zero Voltage Switch) turn-on without additional circuitry. Bridge, PSFB).
하지만 800V 배터리 팩이 탑재된 전기 자동차용 LDC에 PSFB를 적용할 경우에 스위치의 전압정격이 입력전압인 800V가 되므로 1000V 이상의 전압정격을 갖는 스위치를 사용해야 하고, 이에 적절한 MOSFET 선정에 어려움이 있다. However, when PSFB is applied to the LDC for electric vehicles equipped with an 800V battery pack, the voltage rating of the switch becomes 800V, which is the input voltage, so a switch with a voltage rating of 1000V or higher must be used, and it is difficult to select an appropriate MOSFET.
일반적인 PSFB는 경 부하시 소프트 스위칭이 실패되거나 입력전압이 증가할수록 높은 부하에서도 소프트 스위칭을 실패할 수 있다. 또한 변압기의 자화전류의 오프셋을 0으로 보장하기 위한 큰 용량의 DC 블로킹 커패시터가 변압기의 일단에 각각 설치되는 한계에 도달하였다.In general PSFB, soft switching may fail at light load or soft switching may fail even at high load as the input voltage increases. In addition, a large-capacity DC blocking capacitor to ensure the offset of the magnetizing current of the transformer is 0 has reached the limit of being installed at each end of the transformer.
이에 본 출원인은 낮은 스위치 전압정격과 넓은 입력전압 범위를 갖는 소프트 스위칭 컨버터를 제안한다. Accordingly, the present applicant proposes a soft switching converter having a low switch voltage rating and a wide input voltage range.
본 발명은 직렬 입력단과 병렬 출력단으로 구비된 소프트 스위칭 컨버터에 있어 1차측 스위치 레그를 직렬 연결함에 따라 소프트 스위칭 컨버터의 다수의 스위치의 전압 정격을 입력 전원의 절반으로 줄일 수 있고, 변압기 2차측에 연결된 캐패시터를 인터리빙함에 따라 캐패시터의 전류 정격을 줄일 수 있으며, 공진을 이용하여 다수의 스위치의 스위칭 손실을 감소할 수 있는 소프트 스위칭 컨버터를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.According to the present invention, in a soft switching converter having a series input terminal and a parallel output terminal, the voltage rating of a plurality of switches of the soft switching converter can be reduced to half of the input power by connecting the primary side switch legs in series, and connected to the secondary side of the transformer An object of the present invention is to provide a soft switching converter capable of reducing the current rating of the capacitor by interleaving the capacitor and reducing the switching loss of a plurality of switches by using resonance.
일 실시 예에 따른 양태에 의하면, 소프트 스위칭 컨버터는, According to an aspect according to an embodiment, the soft switching converter,
력 전원의 입력단과 출력단 양단에 직렬로 연결되어 소프트 스위칭 방식으로 직류 형태의 입력 전원을 교류 형태로 변환하는 컨버터; 상기 컨버터의 출력단에 각각 접속되는 적어도 하나의 변압기로 구비되는 변압부; 상기 변압부의 출력 전류를 직류 형태로 정류시켜 부하 측으로 전달하는 정류부를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.a converter connected in series to both the input and output terminals of the output power to convert the DC input power into the AC type using a soft switching method; a transformer provided with at least one transformer respectively connected to an output terminal of the converter; It is characterized in that it comprises a rectifier for rectifying the output current of the transformer in the form of direct current to the load side.
바람직하게 상기 컨버터는, 하프 브리지의 다수의 스위치 S1~S4 로 구비되고, 스위치 S1, S2와 스위치 S3, S4에 대해 180도 위상 천이하고 비대칭 상보적으로 스위칭 동작하도록 구비될 수 있다.Preferably, the converter is provided with a plurality of switches S1 to S4 of the half-bridge, and may be configured to perform a 180 degree phase shift with respect to the switches S1 and S2 and the switches S3 and S4 and perform asymmetric and complementary switching operation.
바람직하게 상기 변압부는Preferably, the transformer
입력 전원의 입력단에 연결된 컨버터의 스위치 S1의 출력단에 연결된 누설 인덕터 Lk1와 누설 인덕터 Lk1 의 출력단과 스위치 S1와 직렬로 연결된 스위치 S2의 출력단 사이에 1차측 코일이 권선된 변압기 T1; 및 스위치 S2의 출력단에 직렬로 연결된 스위치 S3의 출력단에 연결된 누설 인덕터 Lk2 및 상기 스위치 S3의 출력단과 입력 전원의 출력단 사이에 직렬로 연결된 스위치 S4의 출력단 사이에 1차측 코일이 권선된 변압기 T2로 구비될 수 있다. a transformer T1 in which a primary coil is wound between the output terminal of the leakage inductor L k1 and the leakage inductor L k1 connected to the output terminal of the switch S1 of the converter connected to the input terminal of the input power and the output terminal of the switch S2 connected in series with the switch S1; and a leakage inductor L k2 connected to the output terminal of the switch S3 connected in series to the output terminal of the switch S2 and A transformer T2 in which a primary coil is wound between the output terminal of the switch S4 connected in series between the output terminal of the switch S3 and the output terminal of the input power may be provided as a transformer T2.
바람직하게 상기 정류부는 변압기 T1과 변압기 T2의 출력단에 인터리빙되는 캐패시터 Cr; 및 각 캐패시터 Cr의 출력단과 변압기 T1의 입력단 사이와 변압기 T2 입력단 각각에 연결된 다이오드 D1, D2로 구비될 수 있다.Preferably, the rectifier includes a capacitor Cr interleaved at the output terminals of the transformer T1 and the transformer T2; and diodes D1 and D2 connected between the output terminal of each capacitor Cr and the input terminal of the transformer T1 and respectively connected to the input terminal of the transformer T2.
바람직하게 상기 소프트 스위칭 컨버터는 정류부의 출력 전압에 대해 노이즈 성분을 제거하는 필터부를 더 포함할 수 있다.Preferably, the soft switching converter may further include a filter unit for removing a noise component with respect to the output voltage of the rectifier.
일 실시 예에 따르면, dc 블로킹 캐패시터를 인터리빙하고 직렬 입력단과 병렬 출력단으로 구비된 소프트 스위칭 컨버터의 소프트 스위칭 방식을 적용함에 따라 스위칭 소자의 전압 정격을 입력 전원의 절반으로 결정할 수 있고, 변압기 2차측 권선의 전류 정격을 줄일 수 있으며, 캐패시터 Cr을 인터리빙함에 따라 캐패시터의 전류 정격을 감소할 수 있고, 캐패시터의 수를 줄일 수 있다.According to an embodiment, by interleaving the dc blocking capacitor and applying the soft switching method of the soft switching converter having a series input terminal and a parallel output terminal, the voltage rating of the switching element can be determined as half of the input power, and the secondary winding of the transformer It is possible to reduce the current rating of the capacitor, and by interleaving the capacitor Cr, the current rating of the capacitor can be reduced, and the number of capacitors can be reduced.
또한 일 실시 예에 따르면, 누설인덕터 및 DC 블록킹 캐패시터의 공진을 이용하여 스위치의 다이오드 소자의 ZCS 턴오프 설계가 가능하고, 입력 전압 및 부하 변동에 따라 스위치의 ZVS 턴온 동작이 가능하므로 스위치의 스위칭 손실을 줄일 수 있다. In addition, according to an embodiment, ZCS turn-off design of the diode element of the switch is possible using the resonance of the leakage inductor and the DC blocking capacitor, and the ZVS turn-on operation of the switch is possible according to the input voltage and load variation, so the switching loss of the switch can reduce
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 일 실시 예의 소프트 스위칭 컨버터의 개념도이다.
도 2 내지 도 7은 일 실시 예의 소프트 스위칭 컨버터의 동작 과정을 보인 도들이다.
도 8은 일 실시 예의 부하 변동에 따른 각 스위치의 전류를 보인 파형도이다.The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical spirit of the present invention together with the detailed description of the present invention to be described later, so the present invention is a matter described in such drawings should not be construed as being limited only to
1 is a conceptual diagram of a soft switching converter according to an embodiment.
2 to 7 are diagrams illustrating an operation process of a soft switching converter according to an exemplary embodiment.
8 is a waveform diagram illustrating a current of each switch according to a load change according to an exemplary embodiment.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art may easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 또는 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated. In addition, terms such as “…unit”, “…group”, “…module”, etc. described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which is implemented by hardware or software or a combination of hardware and software. can be
일 실시 예는 dc 블로킹 캐패시터를 인터리빙하고 컨버터의 소프트 스위칭 방식을 적용함에 따라 컨버터의 스위치의 전류 정격을 감소할 수 있고, 넓은 입력전압과 부하영역에 관계없이 컨버터의 스위치가 ZVS(Zero Voltage Switch) 턴온되어 스위칭 손실을 감소하여 효율을 높일 수 있으며, DC 블록킹을 수행함에 따라 자화전류의 오프셋을 제거할 수 있다.In one embodiment, the current rating of the switch of the converter can be reduced by interleaving the dc blocking capacitor and applying the soft switching method of the converter, and the switch of the converter is ZVS (Zero Voltage Switch) regardless of a wide input voltage and load range By being turned on, it is possible to increase the efficiency by reducing the switching loss, and it is possible to remove the offset of the magnetizing current by performing DC blocking.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings.
도 1은 일 실시 예가 적용되는 소프트 스위칭 컨버터의 구성을 보인 도면이고, 도 2 내지 도 7은 도 1에 도시된 소프트 스위칭 컨버터의 각 모드 별 동작 과정으로 보인 도면들이다.1 is a diagram showing the configuration of a soft switching converter to which an embodiment is applied, and FIGS. 2 to 7 are diagrams showing an operation process for each mode of the soft switching converter shown in FIG. 1 .
도 1 내지 도 7을 참조하면, 일 실시 예가 적용되는 소프트 스위칭 컨버터는, 하프브리지 컨버터(100), 변압부(200), 정류부(300), 및 필터부(400) 중 적어도 하나로 구비될 수 있다.1 to 7 , the soft switching converter to which an embodiment is applied may include at least one of the half-
여기서 하프브리지 컨버터(100)는 입력 전원 Vin의 입력단과 출력단 사이에 각각 연결된 캐패시터(C1, C2)와, 캐패시터 C1의 양단에 직렬로 연결된 스위치(S1, S2)와 캐패시터 C2의 양단에 직렬로 접속된 스위치(S3, S4)로 구비된다. 여기서, 각 스위치 S1~S4 각각은 스위칭 소자 및 다이오드 소자로 구비될 수 있으며 이와 관련된 구성 요소들만 도시되어 있다.Here, the half-
여기서, 하프브리지 컨버터(100)의 스위치 S1, S2와 스위치 S3, S4는 각각의 180도 위상차를 가지며 비대칭 상보적으로 스위칭 동작한다. Here, the switches S1 and S2 and the switches S3 and S4 of the half-
이에 입력 전압 및 부하 변동에 상관없이 스위치 S1~ S4 는 ZVS(Zero Voltage Switching) 턴온 상태로 동작되며, 이에 스위치 S1~S4 걸리는 양단 전위차가 입력 전압 Vin의 반으로 결정되므로, 캐패시터 C1, C2의 각 양단 간의 전위차는 입력 전원 Vin/2를 만족한다. Therefore, regardless of input voltage and load change, switches S1 to S4 operate in ZVS (Zero Voltage Switching) turned-on state, and the potential difference across switches S1 to S4 is determined to be half of the input voltage Vin, so each of capacitors C1 and C2 The potential difference between both ends satisfies the input power supply Vin/2.
따라서, 스위치의 턴오프 스위칭 손실이 절감되므로 800V 이상의 높은 입력전압에도 스위치 S1~ S4는 600V의 Si MOSFET를 사용할 수 있다. Therefore, since the turn-off switching loss of the switch is reduced, even at a high input voltage of 800V or more, the switches S1 to S4 can use a 600V Si MOSFET.
한편 변압부(200)는 스위치 S1의 출력단에 연결된 누설 인덕터 Lk1 및 누설 인덕터 Lk1 의 출력단과 스위치 S2의 출력단 사이에 1차측 코일이 권선된 변압기 T1로 구비될 수 있다. 또한 변압부(200)는 스위치 S3의 출력단에 연결된 누설 인덕터 Lk2 및 스위치 S4의 출력단 사이에 1차측 코일이 권선된 변압기 T2를 더 포함할 수 있다. The transforming
그리고 변압부(200)의 2차측에는 정류부(300)가 연결되며, 정류부(300)는 각 변압기 T1의 일단과 변압기 T2의 타단과 부하 load 의 출력단 사이에 접속되는 캐패시터 Cr과 상기 각 변압기 T1, T2 출력단 각각에 연결된 다이오드 D1, D2로 구비될 수 있다. 이에 변압기 T1, T2의 전류에 포함된 직류성분은 캐패시터 Cr에 의거 차단된다. 즉, 캐패시터 Cr이 변압기 T1, T2의 2차측에 인터리빙됨에 따라 캐패시터의 수를 줄일 수 있고 스위치의 전류 정격을 감소할 수 있으며, 변압기(200)의 자화 전류의 오프셋이 제거될 수 있다. And the rectifying
그리고, 각 변압기 T1의 일단과 변압기 T2의 타단 각각에 정류부(200)의 출력단에 필터부(400)를 연결하고 상기 필터부(400)는 코일 L1, L2 및 캐패시터 Cout로 구비된다.Then, the
즉, 코일 L1. L2 각각은 변압기 T1의 일단과 변압기 T2의 타단에 접속되며, 캐패시터 Cout는 부하의 양단에 연결된다. 이에 정류부(300)의 전압에 포함된 노이즈 성분이 필터부(400)에 의거 제거된다. That is, coil L1. Each of L2 is connected to one end of the transformer T1 and the other end of the transformer T2, and the capacitor Cout is connected to both ends of the load. Accordingly, the noise component included in the voltage of the rectifying
이에 DC 블록킹용 정류부의 캐패시터 Cr의 전압 은 부하 전압 과 동일하고, 캐패시터 Cr의 전류 은 정류부(200)의 다이오드 D1, D2의 전류 , 의 차로 나타낼 수 있다. Accordingly, the voltage of the capacitor Cr of the rectifier for DC blocking silver load voltage equal to and the current of the capacitor Cr Currents of diodes D1 and D2 of the
이에 일 실시 예는 dc 블로킹 캐패시터를 인터리빙하고 직렬 입력단과 병렬 출력단으로 구비된 소프트 스위칭 컨버터의 소프트 스위칭 방식을 적용함에 따라 변압기 1차측 스위치의 전압 정격을 입력 전원의 절반으로 결정할 수 있고, 변압기 2차측 권선의 전류 정격을 줄일 수 있으며, 캐패시터 Cr을 인터리빙함에 따라 캐패시터의 전류 정격을 감소할 수 있고, 캐패시터의 수를 줄일 수 있다.Accordingly, in one embodiment, the voltage rating of the primary side switch of the transformer can be determined as half of the input power by interleaving the dc blocking capacitor and applying the soft switching method of the soft switching converter provided with the serial input terminal and the parallel output terminal, and the secondary side of the transformer The current rating of the winding may be reduced, and the current rating of the capacitor may be reduced by interleaving the capacitor Cr, and the number of capacitors may be reduced.
또한 일 실시 예는 누설인덕터 Lk1, Lk2및 DC 블록킹 캐패시터 Cr의 공진을 이용하여 스위치의 다이오드 소자의 ZCS 턴오프 설계가 가능하고, 입력 전압 및 부하 변동에 따라 스위치 S1~S4의 ZVS 턴온 동작이 가능하므로 스위치의 스위칭 손실을 줄일 수 있다. In addition, in one embodiment , ZCS turn-off design of the diode element of the switch is possible using the resonance of the leakage inductors L k1 , L k2 and the DC blocking capacitor Cr, and the ZVS turn-on operation of the switches S1 to S4 according to the input voltage and load change Therefore, it is possible to reduce the switching loss of the switch.
이하 도 2 내지 도 7을 참조하여 소프트 스위칭 컨버터에 대한 동작 과정을 설명한다.Hereinafter, an operation process for the soft switching converter will be described with reference to FIGS. 2 to 7 .
우선, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 초기 to 이전의 시점(Deadtime Period 사구간)에서 외부로부터 공급되는 스위치 S1 ~ S3는 오프 상태로 유지되고, 스위치 S1의 다이오드 소자는 온 상태로 유지되고, 정류부(300)의 다이오드 D1, D2는 온 상태로 유지된다. 이에 다이오드 D1의 전압은 선형적으로 감소되는 반면 정류부의 다이오드 D2의 전압을 선형적으로 증가된다.First, as shown in (a) of FIG. 2, the switches S1 to S3 supplied from the outside at the time before the initial to (deadtime period) are maintained in the off state, and the diode element of the switch S1 is in the on state. is maintained, and the diodes D1 and D2 of the rectifying
즉, (b)에 도시된 바와 같이, 누설 인덕터 LK1의 전압 은 으로 증가된 다음 유지되고, 변압기 T1의 2차측 전압 은 음의 값을 가진다. 여기서, 는 스위치 S1의 게이트 신호의 PWM 듀티이다. That is, as shown in (b), the voltage of the leakage inductor L K1 silver is increased and then held, the voltage on the secondary side of transformer T1 is negative have a value here, is the PWM duty of the gate signal of switch S1.
또한, 누설 인덕터 LK1의 전류 의 크기는 감소하나 기울기는 이다. Also, the current in the leakage inductor L K1 decreases in size, but the slope of to be.
또한, 스위치 S1에 흐르는 전류 은 선형적으로 증가되고 스위치 S1의 전압 은 0으로 유지되며, 스위치 S2에 흐르는 전류 는 0으로 유지되고 스위치 S4의 양단 간의 전위차 는 으로 유지된다. 이에 캐패시터 C2의 전압은 이다. Also, the current flowing through the switch S1 increases linearly and the voltage on switch S1 is held at zero, and the current flowing through switch S2 is held at zero and the potential difference between the ends of switch S4 Is is maintained as Therefore, the voltage across capacitor C2 is to be.
그리고 정류부(300)의 다이오드 D1의 전류 은 서서히 감소되는 반면 정류부(200)의 다이오드 D2의 전류 는 선형적으로 증가된다.And the current of the diode D1 of the rectifying
도 3은 시점 t0~t1 구간의 모드 2의 회로도 및 파형도를 보인 도면으로서, 도 3의 (a)(b)에 도시된 바와 같이, 시점 t0에서 스위치 S1는 ZVS 턴온 상태로 동작하고 스위치 S4는 온 상태로 유지된다. 3 is a diagram showing a circuit diagram and a waveform diagram of
따라서, 누설 인덕터 LK1의 전류 의 크기는 감소 상태가 유지되나, 기울기 는 양의 값을 가지며, 누설 인덕터 LK1의 전류 의 감소량이 0일 때 누설 인덕터 LK1의 전류 의 방향이 반대로 흐르고, 이에 모드 3로 진행된다. Therefore, the current in the leakage inductor L K1 The magnitude of is maintained in a decreasing state, but the slope is a positive value, and the current in the leakage inductor L K1 The current in the leakage inductor L K1 when the decrease of flows in the opposite direction, and thus mode 3 proceeds.
도 4는 t1~t2 구간의 모드 3의 회로도 및 파형도를 보인 도면으로서, 도 4의 (a)(b)에 도시된 바와 같이, 누설 인덕터 LK1의 전류 은 필터부(400)의 코일 L1 전류와 동일할 때까지 증가된다. 이때 정류부(300)의 다이오드 D1은 ZCS(Zero Current Switching) 턴오프 상태로 전환된다. 이때 누설 인덕터 LK1의 전류 는 하기 식 1로 나타낼 수 있다.4 is a diagram showing a circuit diagram and a waveform diagram of mode 3 in the period t1 to t2, and as shown in (a) (b) of FIG. 4, the current of the leakage inductor L K1 is increased until it is equal to the coil L1 current of the
[식 1][Equation 1]
즉, (b)에 도시된 바와 같이, 누설 인덕터 LK1의 누설 전류가 변압기 T1에 의거 여기되어 2차측으로 전달되므로, 누설 인덕터 LK1의 전압 은 급격하게 감소되고, 변압기 T1의 2차측 전압 은 급격하게 증가된다.That is, as shown in (b), since the leakage current of the leakage inductor L K1 is excited by the transformer T1 and transferred to the secondary side, the leakage current of the leakage inductor L K1 Voltage is sharply reduced, and the secondary voltage of transformer T1 is increased rapidly.
또한, 스위치 S1에 흐르는 전류 은 선형적으로 증가되고 스위치 S1의 전압 은 0으로 유지되며, 스위치 S2에 흐르는 전류 는 0으로 유지되고 스위치 S4의 양단 간의 전위차 는 으로 유지된다. 이에 캐패시터 C2의 전압은 이다. Also, the current flowing through the switch S1 increases linearly and the voltage on switch S1 is held at zero, and the current flowing through switch S2 is held at zero and the potential difference between the ends of switch S4 Is is maintained as Therefore, the voltage across capacitor C2 is to be.
그리고 정류부(300)의 다이오드 D1의 전류 은 서서히 감소되어 시점 t3에서 ZCS 턴오프되고, 정류부(200)의 다이오드 D2의 전류 는 선형적으로 증가된다.And the current of the diode D1 of the rectifying
즉 다이오드 D1이 ZCS 턴오프 상태로 전환될 때 모드 4로 진행된다.That is, when the diode D1 is switched to the ZCS turn-off state, it proceeds to
도 5는 t2~t3 구간의 모드 4의 회로도 및 파형도를 보인 도면으로서, 도 5의 (a)(b)에 도시된 바와 같이, 증가하는 누설 인덕터 LK1의 전류 은 하기 식 2에 도달될 때 까지 선형적으로 증가된다.5 is a diagram showing a circuit diagram and a waveform diagram of
[식 2][Equation 2]
또한, 변압기 T1의 2차측 전압 은 로 유지된다.Also, the secondary voltage of transformer T1 silver is maintained as
또한, 스위치 S1에 흐르는 전류 은 선형적으로 증가하다가 급격하게 0으로 감소하고, 스위치 S1의 전압 은 0으로 유지되며, 스위치 S2에 흐르는 전류 는 0으로 유지되다가 급격하게 감소되며, 스위치 S4의 양단 간의 전위차 는 으로 유지되고 시점 t3에서 급격하게 0으로 감소된다. 이에 캐패시터 C2의 전압은 0이다. Also, the current flowing through the switch S1 increases linearly and then abruptly decreases to 0, and the voltage of switch S1 is held at zero, and the current flowing through switch S2 is maintained at 0 and then rapidly decreased, and the potential difference between both ends of the switch S4 Is , and abruptly decreases to 0 at time t3. Accordingly, the voltage of the capacitor C2 is zero.
이에 누설 인덕터 LK1의 전류 가 식 2를 만족하는 시점 t3에서 하프브리지 컨버터(100)의 스위치 S1은 턴오프 상태로 스위칭되며, 이에 모드 5로 진행된다. Therefore, the current of the leakage inductor L K1 At a time t3 that satisfies
도 6은 t3~t4 구간의 모드 5의 회로도 및 파형도를 보인 도면으로서, (a)(b)에 도시된 바와 같이, 누설 인덕터 LK1의 전류 는 스위치 S2의 다이오드 소자로 흐르고, 이에 누설 인덕터 LK1와 캐패시터 Cr 간의 공진된다. 6 is a diagram showing a circuit diagram and a waveform diagram of mode 5 in the period t3 to t4. As shown in (a)(b), the current of the leakage inductor L K1 flows into the diode element of the switch S2, thereby resonating between the leakage inductor L K1 and the capacitor Cr.
이에 소프트 스위칭 컨버터의 등가회로는 도시된 바와 같다. Accordingly, the equivalent circuit of the soft switching converter is as shown.
이러한 등가 회로에 의하면, 스위치 S2의 전류 는 다음 식 3으로 나타낼 수 있다.According to this equivalent circuit, the current of the switch S2 can be expressed by Equation 3 below.
[식 3][Equation 3]
여기서, 공진 주파수 이고, D는 게이트 신호의 PWM 듀티이다.Here, the resonant frequency and D is the PWM duty of the gate signal.
(b)에 도시된 바와 같이, 누설 인덕터 LK1의 전압 은 으로 유지되고, 변압기 T1의 2차측 전압 은 캐패시터 Cr의 전압 과 동일하고 감소되며, 또한, 누설 인덕터 LK1의 전류 의 기울기는 감소된다. As shown in (b), the voltage of the leakage inductor L K1 silver is maintained, and the voltage on the secondary side of the transformer T1 is the voltage on the silver capacitor Cr is equal to and reduced, and also the current in the leakage inductor L K1 slope is reduced.
또한, 스위치 S1에 흐르는 전류 은 0으로 유지되나 스위치 S1의 전압 은 0으로 유지되며, 스위치 S2에 흐르는 전류 는 선형적으로 증가되나 스위치 S4의 양단 간의 전위차 는 으로 유지된다. 이에 캐패시터 C2의 전압은 이다. Also, the current flowing through the switch S1 remains at zero, but the voltage on switch S1 is held at zero, and the current flowing through switch S2 is linearly increased, but the potential difference between both ends of switch S4 Is is maintained as Therefore, the voltage across capacitor C2 is to be.
그리고 정류부(300)의 다이오드 D1의 전류 및 다이오드 D2의 전류 는 선형적으로 증가됨을 알 수 있다.And the current of the diode D1 of the rectifying
그리고, 스위치 S2는 ZVS 턴온 상태로 전환될 때 다음 모드 6로 진행된다. Then, when the switch S2 is switched to the ZVS turn-on state, it proceeds to the next mode 6 .
도 7은 t4~t5 구간의 모드 6의 회로도 및 파형도를 도면으로서, 도 7의 (a) 및 (b)를 참조하면, 시점 t4에서 스위치 S2는 ZVS 턴온되고, 누설 인덕터 LK1와 캐패시터 Cr 간의 공진이 유지되며, 이에 대한 등가 회로는 도시된 바와 같다.7 is a circuit diagram and waveform diagram of mode 6 in the period t4 to t5. Referring to FIGS. 7 (a) and (b), at time t4, the switch S2 is ZVS turned on, and the
(b)를 참조하면, 누설 인덕터 LK1의 전류 의 크기는 증가하나 기울기 는 선형적으로 감소하고, 정류부(300)의 다이오드 D1의 전류 은 서서히 감소되는 반면 정류부(200)의 다이오드 D2의 전류 는 선형적으로 증가하다가 스위치 S3가 ZVS 턴온 상태로 동작되는 시점에서 선형적으로 감소하다가 0으로 유지된다. 그리고, 모드 6는 스위치 S2가 턴오프로 스위칭될 때까지 유지되며 이후 모드 1로 진행된다. Referring to (b), the current of the leakage inductor L K1 increases in size but slopes is linearly decreased, and the current of the diode D1 of the rectifying
이에 일 실시 예는 dc 블로킹 캐패시터를 인터리빙하고 직렬 입력단과 병렬 출력단으로 구비된 소프트 스위칭 컨버터의 소프트 스위칭 방식을 적용함에 따라 변압기 1차측 스위치의 전압 정격을 입력 전원의 절반으로 결정할 수 있고, 변압기 2차측 권선의 전류 정격을 줄일 수 있으며, 캐패시터 Cr을 인터리빙함에 따라 캐패시터의 전류 정격을 감소할 수 있고, 캐패시터의 수를 줄일 수 있다.Accordingly, in one embodiment, the voltage rating of the primary side switch of the transformer can be determined as half of the input power by interleaving the dc blocking capacitor and applying the soft switching method of the soft switching converter provided with the serial input terminal and the parallel output terminal, and the secondary side of the transformer The current rating of the winding may be reduced, and the current rating of the capacitor may be reduced by interleaving the capacitor Cr, and the number of capacitors may be reduced.
또한 일 실시 예는 누설인덕터와 DC 블록킹 캐패시터의 공진을 이용하여 스위치의 ZVS 전류를 설계함으로써 입력 전압 및 부하 변동에 관계없이 스위치의 ZVS 턴온 동작이 가능하므로 스위치의 스위칭 손실을 줄일 수 있다. In addition, according to an embodiment, the ZVS current of the switch is designed using the resonance of the leakage inductor and the DC blocking capacitor, so that the ZVS turn-on operation of the switch is possible regardless of the input voltage and load variation, thereby reducing the switching loss of the switch.
도 8은 일 실시 예에 따른 각 부하 변동에 따른 스위치 S1~S4에 흐르는 전류를 보인 파형도로서, 도 8을 참조하면, 일 실시 예는 입력 전압 Vin 및 부하 Vbat 변동에 상관없이 ZVS 턴 온을 성취하는 것을 확인할 수 있다.8 is a waveform diagram showing the current flowing in the switches S1 to S4 according to each load change according to an embodiment. Referring to FIG. 8, an embodiment shows the ZVS turn-on regardless of the input voltage Vin and the load Vbat change. You can see what you achieve.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and it is easily changed by a person skilled in the art from the embodiment of the present invention to equivalent Including all changes to the extent recognized as
Claims (5)
상기 컨버터의 출력단에 각각 접속되는 적어도 하나의 변압기로 구비되는 변압부; 및
상기 변압부의 출력 전류를 직류 형태로 정류시켜 부하 측으로 전달하는 정류부를 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 컨버터.a converter connected in series to both the input and output terminals of the input power to convert the DC input power into the AC type using a soft switching method;
a transformer provided with at least one transformer respectively connected to an output terminal of the converter; and
and a rectifier for rectifying the output current of the transformer in a DC form and transmitting the rectifier to the load.
하프 브리지의 다수의 스위치 S1~S4 로 구비되고, 스위치 S1, S2와 스위치 S3, S4에 대해 180도 위상 천이하고 비대칭 상보적으로 스위칭 동작하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 컨버터. The method of claim 1, wherein the converter
A soft switching converter that is provided with a plurality of switches S1 to S4 of the half-bridge, and is provided to perform a 180 degree phase shift with respect to the switches S1 and S2 and the switches S3 and S4 and to perform asymmetrically complementary switching operation.
입력 전원의 입력단에 연결된 컨버터의 스위치 S1의 출력단에 연결된 누설 인덕터 Lk1와 누설 인덕터 Lk1 의 출력단과 스위치 S1와 직렬로 연결된 스위치 S2의 출력단 사이에 1차측 코일이 권선된 변압기 T1; 및
스위치 S2의 출력단에 직렬로 연결된 스위치 S3의 출력단에 연결된 누설 인덕터 Lk2 및 상기 스위치 S3의 출력단과 입력 전원의 출력단 사이에 직렬로 연결된 스위치 S4의 출력단 사이에 1차측 코일이 권선된 변압기 T2로 구비되는 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 컨버터.According to claim 1, wherein the transformer,
a transformer T1 in which a primary coil is wound between the output terminal of the leakage inductor L k1 and the leakage inductor L k1 connected to the output terminal of the switch S1 of the converter connected to the input terminal of the input power and the output terminal of the switch S2 connected in series with the switch S1; and
Leakage inductor L k2 connected to the output of switch S3 in series with the output of switch S2 and A soft switching converter comprising a transformer T2 in which a primary coil is wound between the output terminal of the switch S4 connected in series between the output terminal of the switch S3 and the output terminal of the input power.
각 변압기 T1과 변압기 T2의 출력단에 인터리빙되는 캐패시터 Cr; 및
각 캐패시터 Cr의 출력단과 변압기 T1의 입력단 사이와 변압기 T2 입력단 각각에 연결된 다이오드 D1, D2로 구비되는 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 컨버터.The method of claim 2, wherein the rectifying unit
a capacitor Cr interleaved at the output terminals of each of the transformers T1 and T2; and
A soft switching converter comprising diodes D1 and D2 connected between the output terminal of each capacitor Cr and the input terminal of the transformer T1 and each of the input terminals of the transformer T2.
정류부의 출력 전압에 대해 노이즈 성분을 제거하는 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 컨버터.
4. The method of claim 3, wherein the soft switching converter
Soft switching converter, characterized in that it further comprises a filter for removing a noise component with respect to the output voltage of the rectifier.
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