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KR101523045B1 - 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터 - Google Patents

고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터 Download PDF

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KR101523045B1
KR101523045B1 KR1020130103446A KR20130103446A KR101523045B1 KR 101523045 B1 KR101523045 B1 KR 101523045B1 KR 1020130103446 A KR1020130103446 A KR 1020130103446A KR 20130103446 A KR20130103446 A KR 20130103446A KR 101523045 B1 KR101523045 B1 KR 101523045B1
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South Korea
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unit
inductor
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최세완
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서울과학기술대학교 산학협력단
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Abstract

소프트 스위칭 동작으로 스위치 및 다이오드와 같은 스위칭 소자에서 발생하는 손실은 최소화하고, 전류 분담과 인티리빙 효과로 전력밀도를 높일 수 있는 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터에 관한 것으로, 입력된 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하고, 고주파 성분이 제거된 전압을 복수의 스위칭 소자를 통해 한 주기 내에 상보적인 스위칭을 한 후, 전압 체배 및 정류를 하여 출력해주는 제1 승압부; 상기 제1 승압부와 병렬로 연결되어 입력된 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하고, 고주파 성분이 제거된 전압을 복수의 스위칭 소자를 통해 한 주기 내에 상보적인 스위칭을 한 후, 전압 체배 및 정류를 하여 출력해주는 제2 승압부를 포함하고, 상기 제1 승압부의 출력 및 상기 제2 승압부의 출력과 입력 전압을 직렬로 결합하여 출력전압으로 부하 측에 공급함으로써, 더 높은 승압비를 구현할 수 있으며, 스위치 및 다이오드의 전압 정격을 낮출 수 있고, 별도의 전류센서를 사용하지 않고서도 각 상의 전류 불평형을 방지할 수 있게 된다.

Description

고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터{Soft switching DC-DC converter with high voltage conversion ratio}
본 발명은 고승압(high voltage conversion ratio) 소프트 스위칭(soft switching) 직류-직류 컨버터(DC-DC converter)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소프트 스위칭 동작으로 스위치 및 다이오드와 같은 스위칭 소자에서 발생하는 손실은 최소화하고, 전류 분담과 인터리빙 효과로 전력밀도를 높일 수 있는 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터에 관한 것이다.
일반적으로, 직류-직류 컨버터(DC-DC Converter)는 임의 전압의 직류전원을 다른 전압의 직류전원으로 변환하는 전력장치를 일컬으며, 연료 전지와 같은 전원을 공급받는 대전력 시스템에서는 출력 전압이 낮고, 부하에 따라 변동폭이 크기 때문에 이를 조정하기 위한 장치로 사용된다.
최근, 전력변환기의 소형화, 경량화를 실현하기 위하여 PWM 방식의 DC-DC 컨버터를 고속의 스위칭 주파수로 동작시킬 때, 주파수에 비례하여 손실이 커지게 되는 문제가 발생하였으나, 공진형 컨버터의 사용으로 이러한 손실을 현저하게 감소시켰다.
그러나 공진형 컨버터는 정현파 전류, 전압에 의하여 스위치를 구동하는 방식이므로 스위치의 전류, 전압 스트레스가 증가하고 결과적으로 전도손실의 증가를 초래하는 단점을 유발하였다.
이러한 단점을 개선하기 위해서 종래에 제안된 기술이 하기의 <특허문헌 1> 대한민국 등록특허 등록번호 10-1033933호(2011.05.11. 공고)에 개시된다.
<특허문헌 1>에 개시된 종래기술은 도 1에 도시된 바와 같이, 필터 인덕터(L1), 스위칭 소자(S1, S2), 보조회로(C1, L2, D1, D2, C2, C3)로 구성된다.
필터 인덕터(l1)는 입력된 공급 전원(Vin)에 포함된 고주파 성분을 제거하고 저주파 성분만을 통과시키는 필터링 역할을 한다.
스위칭 소자(S1, S2)는 통상의 IGBT를 이용하는 것이 바람직하고, 스위칭 소자 S1이 주 스위치이며, 스위칭 소자 S2와는 한 주기 내에 상보적인 동작을 한다. 예를 들어, 스위칭 소자 S1이 턴-온되면 스위칭 소자 S2는 턴-오프된다.
따라서 1주기가 T라고 하면, 스위칭 소자 S1이 D라는 듀티 시간을 가지면, 스위칭 소자 S2는 T - D라는 듀티 시간을 가지게 되며, 두 스위칭 소자(S1, S2) 간의 겹치는 동작시간은 없게 된다.
보조회로는 보조 인덕터(L2)에서 출력된 전압이 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2)를 통해 직류의 (+), (-)일 때 제1커패시터(C2) 및 제2커패시터(C2)에 동시에 충전되고, 이후 출력 전압(Vout)으로 부하 측에 공급된다.
도 2 및 도 3은 도 1의 다른 실시 예로서, 저전압 측에 2개의 필터 인덕터(L1, L2), 4개의 스위치인 제1 내지 제4 MOSFET(S1 ~ S4), 2개의 보조 커패시터(C1, C2), 2개의 보조 인덕터(L3, L4), 전압 더블러인 제1 내지 제4 다이오드(D1 ~ D4), 3개의 커패시터(C1 ~ C3)를 포함한다.
여기서 제2MOSFET(S2)와 제4MOSFET(S4), 제1MOSFET(S2)와 제3MOSFET(S3)는 비대칭적으로 출력 전압이 제어되고, 상보적(complementary) 스위칭에 의해 필터 인덕터(L1, L2)와 보조 인덕터(L3, L4), 스위치의 내부 커패시터를 이용하여 DCM(Discontinuous Current Mode)에서 뿐만 아니라 CCM(Continuous Current Mode)에서도 자연적으로 영전압 스위칭을 구현할 수 있다.
아울러 고전압 측은 전압 더블러를 직렬로 구성하여 승압비를 상승시키고 소자의 전압 정격을 낮추는 역할을 하며, 보조 인덕터(L3, L4)에 흐르는 전류도 인터리빙하여 출력 커패시터(C3, C4, C5)로 흐르기 때문에 출력 리플을 감소시켜 출력 커패시터(C3, C4, C5)의 값이 작아지게 된다.
이러한 종래기술은 공진이 발생하지 않으므로, 공진을 제거하기 위한 추가 회로로 인한 회로의 복잡성 및 비용을 줄일 수 있게 된다.
아울러 주 스위치 및 보조 스위치가 모두 영전압 스위칭이 가능하여 스위칭 손실을 최소화시킴으로써, 컨버터의 전체 전력 효율을 높일 수 있는 고승압비를 갖는 직류-직류 컨버터를 제공해주게 된다.
또한, 보조 스위치와 주 스위치에 데드 타임 및 상보적 스위칭을 적용하여 주 스위치의 듀티 제한을 제거하고, 보조 회로와 부스트 컨버터의 출력을 직렬로 연결하여 출력 전압을 양분함으로써 각 소자의 정격 전압을 낮출 수 있는 고승압비를 갖는 직류-직류 컨버터를 제공해주게 되는 것이다.
대한민국 등록특허 등록번호 10-1033933호(2011.05.11. 공고)
그러나 상기와 같은 종래기술은 고주파 변압기 없이 듀티가 0.5에서 약 4배로 승압시킬 수 있는 높은 승압비를 갖기 때문에 손실, 부피 그리고 가격을 줄일 수 있는 비절연형 컨버터이며, 더 높은 승압비와 전류 분담 효과를 갖는 인터리빙 구조로 확장할 수 있는 장점이 있으나, 여러 불균형 요소(기생성분, 소자들 간의 공차, 듀티 오차, 기타) 들로 인하여 각 상에 불균형이 발생하는 문제점이 있었다.
또한, 상기와 같은 불균형에 의해 도 4에 도시한 바와 같이 한쪽으로만 전류가 치우치는 현상이 발생하기 때문에 각 상의 인덕터 전류의 불균형 제어가 필요하게 되어, 제어방식이 복잡해지고, 제어장치의 추가로 인해 부피가 크고 가격이 비싼 전류센서를 각 상에 한 개씩 필수로 사용해야하는 복잡함이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 소프트 스위칭 동작으로 스위치 및 다이오드와 같은 스위칭 소자에서 발생하는 손실은 최소화하고, 전류 분담과 인티리빙 효과로 전력밀도를 높일 수 있는 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 종래 2상 고승압 컨버터의 듀티와 동일한 상태에서 더 높은 승압비를 갖는 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 스위치 및 다이오드의 전압 정격을 낮출 수 있도록 한 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 각 상의 인덕터 전류 불평형을 제어하기 위한 별도의 전류센서를 사용하지 않고서도 각 상의 전류 불평형을 방지할 수 있도록 한 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터는 입력된 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하고, 고주파 성분이 제거된 전압을 복수의 스위칭 소자를 통해 한 주기 내에 상보적인 스위칭을 한 후, 전압 체배 및 정류를 하여 출력해주는 제1 승압부; 상기 제1 승압부와 병렬로 연결되어 입력된 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하고, 고주파 성분이 제거된 전압을 복수의 스위칭 소자를 통해 한 주기 내에 상보적인 스위칭을 한 후, 전압 체배 및 정류를 하여 출력해주는 제2 승압부를 포함하고,
상기 제1 승압부의 출력 및 상기 제2 승압부의 출력과 입력 전압을 직렬로 결합하여 출력전압으로 부하 측에 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 출력전압은 상기 제1승압부 및 제2 승압부의 출력전압 합과 역방향으로 결선되어 있는 입력전압의 차로 결정되는 것을 특징으로 한다.
상기에서 제1 승압부는 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하기 위한 제1 필터 인덕터; 게이트로 입력되는 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하여 상기 제1 필터 인덕터의 출력 전압을 스위칭하는 제1 스위칭부; 상기 제1 스위칭부의 상보적인 온/오프를 통해 출력된 전압을 체배하고 정류하여 출력하는 제1 보조 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 제1 스위칭부는 상기 제1 필터 인덕터와 병렬로 연결되어 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하는 제1 및 제2 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 제1 보조 회로는 상기 제1 필터 인덕터의 출력과 연결되는 제1 보조 커패시터; 상기 제1 필터 인덕터와 결합하여 상기 제1 및 제2 스위칭 소자가 소프트 스위칭하도록 하는 제1 보조 인덕터; 상기 제1 보조 인덕터의 출력 전압 및 상기 제1 및 제2 스위칭 소자의 출력 전압을 정류하는 제1 및 제2 다이오드; 정류된 전압과 역방향 입력 전압을 충전하는 제1 및 제2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 제2 승압부는 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하기 위한 제2 필터 인덕터; 게이트로 입력되는 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하여 상기 제2 필터 인덕터의 출력 전압을 스위칭하는 제2 스위칭부; 상기 제2 스위칭부의 상보적인 온/오프를 통해 출력된 전압을 체배하고 정류하여 출력하는 제2 보조 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 제2 스위칭부는 상기 제2 필터 인덕터와 병렬로 연결되어 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하는 제3 및 제4 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 제2 보조 회로는 상기 제2 필터 인덕터의 출력과 연결되는 제2 보조 커패시터; 상기 제2 필터 인덕터와 결합하여 상기 제3 및 제4 스위칭 소자가 소프트 스위칭하도록 하는 제2 보조 인덕터; 상기 제2 보조 인덕터의 출력 전압 및 상기 제3 및 제4 스위칭 소자의 출력 전압을 정류하는 제3 및 제4 다이오드; 정류된 전압과 역방향 입력 전압을 충전하는 제3 및 제4 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 소프트 스위칭 동작으로 스위치 및 다이오드와 같은 스위칭 소자에서 발생하는 손실은 최소화하고, 전류 분담과 인티리빙 효과로 전력밀도를 높일 수 있는 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터를 제공해주는 장점이 있다.
또한, 종래 2상 고승압 컨버터의 듀티와 동일한 상태에서 더 높은 승압비를 구현할 수 있는 장점이 있으며, 스위치 및 다이오드의 전압 정격을 낮출 수 있는 장점도 있다.
또한, 각 상의 인덕터 전류 불평형을 제어하기 위한 별도의 전류센서를 사용하지 않고서도 각 상의 전류 불평형을 방지할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 종래 고승압 직류-직류 컨버터의 실시 예 회로도,
도 2는 종래 고승압 직류-직류 컨버터의 확장 제1 실시 예 회로도,
도 3은 종래 고승압 직류-직류 컨버터의 확장 제2 실시 예 회로도,
도 4는 종래 고승압 직류-직류 컨버터에서 발생하는 인덕터 전류 불균형 파형도,
도 5는 본 발명에 따른 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터의 회로도,
도 6은 본 발명에서 인덕터 전류의 파형도,
도 7은 도 5의 직류-직류 컨버터의 각부 동작 파형도,
도 8은 본 발명의 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터를 확장한 예시 회로도,
도 9는 본 발명의 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터의 양방향 동작 회로도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터의 회로도로서, 제1 승압부(10) 및 제2 승압부(20)를 포함한다.
제1 승압부(10)는 입력된 공급 전원(Vs)에 포함된 고주파 성분을 제거하고, 고주파 성분이 제거된 전압을 복수의 스위칭 소자를 통해 한 주기 내에 상보적인 스위칭을 한 후, 전압 체배 및 정류를 하여 출력해주는 역할을 한다.
이러한 제1 승압부(10)는 공급 전원(Vs)에 포함된 고주파 성분을 제거하기 위한 제1 필터 인덕터(11); 게이트로 입력되는 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하여 상기 제1 필터 인덕터(11)의 출력 전압을 스위칭하는 제1 스위칭부(12); 상기 제1 스위칭부(12)의 상보적인 온/오프를 통해 출력된 전압을 체배하고 정류하여 출력하는 제1 보조회로(13)를 포함한다.
상기 제1 스위칭부(12)는 상기 제1 필터 인덕터(11)와 병렬로 연결되어 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하는 제1 및 제2 스위칭 소자(S11, S12)를 포함하며, 이러한 스위칭 소자는 MOSFET 또는 IGBT로 구현할 수 있다.
상기 제1 보조 회로(13)는 상기 제1 필터 인덕터(11)의 출력과 연결되는 제1 보조 커패시터(C11); 상기 제1 필터 인덕터(11)와 결합하여 상기 제1 및 제2 스위칭 소자(S11, S12)가 소프트 스위칭하도록 하는 제1 보조 인덕터(L13); 상기 제1 보조 인덕터(L13)의 출력 전압 및 상기 제1 및 제2 스위칭 소자(S11, S12)의 출력 전압을 정류하는 제1 및 제2 다이오드(D11, D12); 정류된 전압과 역방향 입력 전압을 충전하는 제1 및 제2 커패시터(C13, C14)를 포함한다.
제2 승압부(20)는 상기 제1 승압부(10)와 병렬로 연결되어 입력된 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하고, 고주파 성분이 제거된 전압을 복수의 스위칭 소자를 통해 한 주기 내에 상보적인 스위칭을 한 후, 전압 체배 및 정류를 하여 출력해주는 역할을 한다.
이러한 제2 승압부(20)는 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하기 위한 제2 필터 인덕터(21); 게이트로 입력되는 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하여 상기 제2 필터 인덕터(21)의 출력 전압을 스위칭하는 제2 스위칭부(22); 상기 제2 스위칭부(22)의 상보적인 온/오프를 통해 출력된 전압을 체배하고 정류하여 출력하는 제2 보조 회로(23)를 포함한다.
상기 제2 스위칭부(22)는 상기 제2 필터 인덕터(21)와 병렬로 연결되어 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하는 제3 및 제4 스위칭 소자(S13, S14)를 포함한다.
상기 제2 보조 회로(23)는 상기 제2 필터 인덕터(21)의 출력과 연결되는 제2 보조 커패시터(C12); 상기 제2 필터 인덕터(21)와 결합하여 상기 제3 및 제4 스위칭 소자(S13, S14)가 소프트 스위칭하도록 하는 제2 보조 인덕터(L13); 상기 제2 보조 인덕터(L13)의 출력 전압 및 상기 제3 및 제4 스위칭 소자(S13, S14)의 출력 전압을 정류하는 제3 및 제4 다이오드(D13, D14); 정류된 전압과 역방향 입력 전압을 충전하는 제3 및 제4 커패시터(C15, C16)를 포함한다.
이렇게 구성된 본 발명은 상기 제1 승압부(10)의 출력 및 상기 제2 승압부(20)의 출력과 입력 전압을 직렬로 결합하여 출력전압으로 부하 측에 공급하게 된다. 따라서 출력전압은 상기 제1승압부(10) 및 제2 승압부(20)의 출력전압 합과 역방향으로 결선되어 있는 입력전압의 차로 결정된다.
이하 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 공급 전원(Vs)이 제1 승압부(10)에 공급되고, 제1 스위칭부(12)의 제1 스위칭 소자(S11)의 게이트로 구동신호(Gs1)를 입력하게 되면, 제1 스위칭소자(S11)가 턴-온되어 제1 필터 인덕터(11)를 통해 고주파 성분이 제거된 입력 전원을 출력하게 된다.
이와 같은 경우 제1 스위칭 소자(S11)만 턴-온된 상태이기 때문에, 공급 전원은 제1 필터 인덕터(L11), 제1스위칭 소자(S11), 제1 보조 커패시터(C11), 제1 보조 인덕터(L13), 제1 다이오드(D11)를 경유하여, 제1 및 제2 커패시터(C13, C14)에 충전된다.
따라서 저전압 측인 제1 필터 인덕터(L11) 및 제1 보조 인덕터(L13)에 모두 양(+)인 전원이 흐르게 되므로 전류는 증가하는 기울기를 가지게 되며, 고전압 측인 제1 다이오드(D11)를 따라 제1 및 제2 커패시터(C13, C14)에 걸린 전압과 역방향으로 결선 되어 있는 입력 전압의 차가 출력되는 전압이 된다. 이때, 제1 및 제2 커패시터(C13, C14)는 전압 더블러(체배기)의 역할을 수행하게 된다.
다음으로, 제1 스위칭 소자(S11)의 구동 신호가 오프 상태가 되면, 제1 스위칭 소자(S11)는 턴-오프되어 전류가 흐리지 않게 된다.
여기서 제1 스위칭 소자(S11)와 제2 스위칭 소자(S12)가 모두 턴-온되지 않은 상태를 데드 타임(Dead Time)이라 하며, 이 구간에서는 제1 스위칭 소자(S11)의 내부 커패시터가 전류의 흐름이 정방향이므로 충전을 하게 되며, 제2 스위칭 소자(S12)의 내부 커패시터는 전류의 흐름이 역방향이므로 방전을 하게 된다.
이후, 제1 승압부(10)에 전압이 공급되고, 제2 스위칭 소자(S12)의 채널 역방향으로 흐르던 전류가 0이 된 후, 자연적으로 채널의 정방향으로 전원이 인가되며, 이로 인해 영전압 스위칭에 의한 제2 스위칭 소자(S12)가 턴-온된다.
이와 같은 경우, 제2 스위칭 소자(S12)만 턴-온된 상태이기 때문에, 제1 스위칭 소자(S11), 제1다이오드(D11)로는 전류가 인가되지 않으며, 상기 제1 스위칭 소자(S11) 및 제1다이오드(D11)를 제외한 나머지 소자들로는 전류가 흐르게 된다.
따라서 제2 스위칭 소자(S12)만 턴-온된 상태이기 때문에, 공급 전원은 제1 필터 인덕터(L11), 제2스위칭 소자(S12), 제1 보조 커패시터(C11), 제1 보조 인덕터(L13), 제2 다이오드(D12)를 경유하여, 제1 및 제2 커패시터(C13, C14)에 충전된다.
따라서 저전압 측인 제1 필터 인덕터(L11) 및 제1 보조 인덕터(L13)에 모두 음(-)인 전원이 흐르게 되므로 전류는 증가하는 기울기를 가지게 되며, 고전압 측인 제2다이오드(D12)를 따라 제1 및 제2 커패시터(C13, C14)에 걸린 전압과 역방향으로 결선 되어 있는 입력 전압의 차가 출력되는 전압이 된다. 이때, 제1 및 제2 커패시터(C13, C14)는 전압 더블러(체배기)의 역할을 수행하게 된다.
한편, 제1 승압부(10)에 입력단이 병렬로 연결된 제2승압부(20)도 상기 제1 승압부(10)의 동작과 동일한 동작을 수행하여, 전압 승압 동작을 하게 된다.
예컨대, 공급 전원(Vs)이 제2 승압부(20)에 공급되고, 제2 스위칭부(22)의 제3 스위칭 소자(S13)의 게이트로 도 7에 도시한 바와 같은 구동신호(Gs3)를 입력하게 되면, 제3 스위칭소자(S13)가 턴-온되어 제2 필터 인덕터(21)를 통해 고주파 성분이 제거된 입력 전원을 출력하게 된다.
이와 같은 경우 제3 스위칭 소자(S13)만 턴-온된 상태이기 때문에, 공급 전원은 제2 필터 인덕터(L12), 제3스위칭 소자(S13), 제2 보조 커패시터(C12), 제2 보조 인덕터(L14), 제3 다이오드(D14)를 경유하여, 제3 및 제4 커패시터(C15, C16)에 충전된다.
따라서 저전압 측인 제2 필터 인덕터(L12) 및 제2 보조 인덕터(L14)에 모두 양(+)인 전원이 흐르게 되므로 전류는 증가하는 기울기를 가지게 되며, 고전압 측인 제3 다이오드(D14)를 따라 제3 및 제4 커패시터(C15, C16)에 걸린 전압과 역방향으로 결선 되어 있는 입력 전압의 차가 출력되는 전압이 된다. 이때, 제3 및 제4 커패시터(C15, C16)는 전압 더블러(체배기)의 역할을 수행하게 된다.
다음으로, 제3 스위칭 소자(S13)의 구동 신호가 오프 상태가 되면, 제3 스위칭 소자(S13)는 턴-오프되어 전류가 흐리지 않게 된다.
여기서 제3 스위칭 소자(S13)와 제4 스위칭 소자(S14)가 모두 턴-온되지 않은 상태를 데드 타임(Dead Time)이라 하며, 이 구간에서는 제3 스위칭 소자(S13)의 내부 커패시터가 전류의 흐름이 정방향이므로 충전을 하게 되며, 제4 스위칭 소자(S14)의 내부 커패시터는 전류의 흐름이 역방향이므로 방전을 하게 된다.
이후, 제2 승압부(20)에 전압이 공급되고, 제4 스위칭 소자(S14)의 채널 역방향으로 흐르던 전류가 0이 된 후, 자연적으로 채널의 정방향으로 전원이 인가되며, 이로 인해 영전압 스위칭에 의한 제4 스위칭 소자(S14)가 턴-온된다.
이와 같은 경우, 제4 스위칭 소자(S14)만 턴-온된 상태이기 때문에, 제3 스위칭 소자(S13), 제3다이오드(D14)로는 전류가 인가되지 않으며, 상기 제3 스위칭 소자(S13) 및 제3다이오드(D13)를 제외한 나머지 소자들로는 전류가 흐르게 된다.
따라서 제4 스위칭 소자(S14)만 턴-온된 상태이기 때문에, 공급 전원은 제2 필터 인덕터(L12), 제4스위칭 소자(S14), 제2 보조 커패시터(C12), 제2 보조 인덕터(L14), 제4 다이오드(D15)를 경유하여, 제3 및 제4 커패시터(C15, C16)에 충전된다.
따라서 저전압 측인 제2 필터 인덕터(L12) 및 제2 보조 인덕터(L14)에 모두 음(-)인 전원이 흐르게 되므로 전류는 증가하는 기울기를 가지게 되며, 고전압 측인 제4다이오드(D13)를 따라 제3 및 제4 커패시터(C15, C16)에 걸린 전압과 역방향으로 결선 되어 있는 입력 전압의 차가 출력되는 전압이 된다. 이때, 제3 및 제4 커패시터(C15, C16)는 전압 더블러(체배기)의 역할을 수행하게 된다.
도 6은 본 발명의 인덕터 전류 파형을 도시한 것이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 직류-직류 컨버터는 별도의 제어가 없어도 불평형 없이 동작하는 것을 알 수 있다. 따라서 전류 불평형을 제어하기 위해서 기존에 사용하는 고가의 전류센서를 추가로 사용할 필요가 없다.
이러한 본 발명에 따르면 종래 2상 고승압 컨버터는 듀티가 0.5에서 약 6배의 승압비를 갖는 반면에, 본 발명은 종래기술보다 더 높은 7배의 승압비를 갖게 된다.
즉, 종래 2상 고승압 컨버터는 듀티 0.5에서, 승압비가 하기의 [수학식1]과 같이 6배가 된다.
Figure 112013079176817-pat00001
여기서 D는 듀티를 나타낸다.
본 발명에 따르면 듀티 0.5에서 승압비가 하기의 [수학식2]와 같이 7배가 된다.
Figure 112013079176817-pat00002
예컨대, 출력 측에 구비된 각 커패시터 하나 당 입력전압의 2배의 전압을 갖게 되며, 각 커패시터의 출력과 직렬로 역방향의 입력전압이 결선 되어 있어, 그 입력 전압을 감산하면 7배의 승압비가 되는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 특징으로서 스위치 및 다이오드의 전압 정격이 종래 고승압 컨버터 대비 1/4수준으로 낮출 수 있다. 즉, 컨버터의 소자 전압 정격은 출력측 커패시터의 하나의 전압과 같게 되는 데, 출력측 커패시터가 4개이므로 출력측 커패시터 전압이 출력전압의 약 1/4수준이기 때문에, 소자 전압 정격도 1/4로 낮출 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 또 다른 특징으로서 별도의 제어 없이 전류 불평형이 발생하지 않는다. 즉, 종래의 2단 고승압 컨버터(도 2 및 도 3 참조)는 두 개의 스위치 래그가 하나의 커패시터(C1)를 제어하게 된다. 이로 인해 여러 불균형 요소들의 작용으로 인해 각 상에 불평형이 발생하게 된다. 그러나 본 발명에 따른 직류-직류 컨버터는 서로 다른 커패시터(C1, C3)를 독립적으로 제어하기 때문에, 불균형 요소가 존재하더라도 각각의 커패시터의 전압에 미세한 차이가 존재할 뿐, 각 상의 전류 불평형 정도는 되지 않는다.
도 8은 본 발명에 따른 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터를 병렬로 확장한 회로도이다. 도 5의 구성을 병렬로 확장한 구조이다.
도 9는 본 발명의 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터를 양방향 동작 구조로 구현한 회로를 나타낸 것이다. 도 9는 도 5와 같은 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터의 구성 중 출력 전압을 부하측에 공급하기 위한 저항(RL)을 전원 단(VH)으로 대체하고, 도 5의 제1 내지 제4 다이오드(D11 ~ D14)를 스위칭 소자(S3, S4, S7, S8)로 대체하여, 양방향 직류-직류 컨버터를 구현한 것이다.
도 9와 같이 구성된 양방향 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터는, 저전압 전원(VL), 상기 저전압 전원에 연결된 제1 및 제2 저전압 측 회로부, 고전압 전원(VH), 상기 고전압 전압에 연결된 제1 및 제2 고전압 측 회로부, 상기 제1 및 제2 저전압 측 회로부와 상기 제1 및 제2 고전압 측 회로부를 연결하는 제1 및 제2 보조 회로부를 포함한다.
상기 제1 저전압 측 회로부는 서로 직렬로 연결된 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2)로 구성된 저전압측 스위치 레그와, 일단이 상기 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2) 사이의 접점에 연결된 제1인덕터(Lf1)를 구비하되, 상기 제1인덕터(Lf1)와 제1스위치(S1)는 저전압 전원(VL)에 순차적으로 직렬 연결된다.
상기 제2 저전압 측 회로부는 서로 직렬로 연결된 제5스위치(S5)와 제6스위치(S6)로 구성된 저전압측 스위치 레그와, 일단이 상기 제5스위치(S5)와 제6스위치(S6) 사이의 접점에 연결된 제2인덕터(Lf2)를 구비하되, 상기 제2인덕터(Lf2)와 제5스위치(S5)는 저전압 전원(VL)에 순차적으로 직렬 연결된다.
또한, 상기 제1 고전압 측 회로부는 상기 고전압 전원(VH)에 순차적으로 직렬 연결된 제1커패시터(C1) 및 제2커패시터(C2)와, 상기 제2커패시터(C2)의 양단에 병렬로 연결되고 서로 직렬로 연결된 제3스위치(S3) 및 제4스위치(S4)로 구성된 고전압측 스위치 레그를 구비하되, 상기 제1스위치(S2)의 일단이 제1커패시터(C1)와 제2커패시터(C2) 사이의 접점에 연결된다.
아울러 상기 제2 고전압 측 회로부는 상기 고전압 전원(VH)에 순차적으로 직렬 연결된 제3커패시터(C3) 및 제4커패시터(C4)와, 상기 제4커패시터(C4)의 양단에 병렬로 연결되고 서로 직렬로 연결된 제7스위치(S7) 및 제8스위치(S8)로 구성된 고전압측 스위치 레그를 구비하되, 상기 제7스위치(S7)의 일단이 제3커패시터(C3)와 제4커패시터(C4) 사이의 접점에 연결된다.
아울러 상기 제1 보조 회로부는 상기 제3스위치(S3)와 제4스위치(S4) 사이의 접점과 상기 제1스위치(S1) 및 제2스위치(S2) 사이에 있는 접점 사이에 연결되고, 서로 직렬로 연결된 제1 보조 커패시터(Ca1)와 제1보조 인덕터(La1)를 구비한다.
그리고 상기 제2 보조 회로부는 상기 제7스위치(S7)와 제8스위치(S8) 사이의 접점과 상기 제5스위치(S5) 및 제6스위치(S6) 사이에 있는 접점 사이에 연결되고, 서로 직렬로 연결된 제2 보조 커패시터(Ca2)와 제2보조 인덕터(La2)를 구비한다.
이때, 상기 저전압 전원(VL)은 충방전이 가능한 배터리이고, 상기 고전압 전원(VH)은 하이브리드 자동차를 구동하기 위한 DC/AC 인버터(모터 드라이버)의 입력 전원이다. 여기서 각각의 스위치(S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8)는 통상의 IGBT나 MOSFET을 이용할 수 있으며, 그 외에 스위치 역할을 할 수 있는 다양한 스위치로도 구현할 수 있다. 스위치 구현에 관한 기술은 공지된 기술이기 때문에 여기에서는 상세한 설명을 생략한다.
이와 같이 구성된 양방향 승압 컨버터는 고전압 전원(VH) 측의 모터가 구동시 저전압 전원(VL)인 배터리의 방전이 이루어지는 부스트 동작(Boost Mode)과, 상기 모터의 회생에너지를 이용하여 상기 배터리를 충전하는 벅 동작(Buck Mode)을 수행할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 양방향 승압 컨버터의 상기 제1스위치(S1) 내지 제8스위치(S8)는 도면에는 도시하지 않았지만 저전압 전원(VL)과 고전압 전원(VH)의 전압을 검출하는 전압 검출부의 출력을 이용하는 제어부에서 듀티를 제어함으로써 각 스위치들의 동작을 제어한다.
즉, 본 발명에 따른 양방향 승압 컨버터에서 상기 제어부는 양방향 승압 컨버터가 CCM으로 동작하는 경우, 적어도 하나의 스위치가 자연스럽게 영전압 스위칭을 수행하도록 상기 제1스위치(S1) 내지 제8스위치(S8)의 동작을 제어하는데, 더욱 구체적으로는 상기 제어부는 한 주기 동안 상기 제1스위치(S1)와 제3스위치(S3)가 각각 제2스위치(S2)와 제4스위치(S4)에 대해 비대칭 상보적 스위칭에 의한 듀티를 갖도록 제어한다. 아울러 제어부는 한 주기 동안 상기 제5스위치(S5)와 제7스위치(S7)가 각각 제6스위치(S6)와 제8스위치(S8)에 대해 비대칭 상보적 스위칭에 의한 듀티를 갖도록 제어한다.
이때, 상보적 스위칭에 의한 듀티라 함은, 한 주기 동안 저 전압측 회로부의 각 스위치(S1,S2)(S6,S6)의 전체 듀티를 1이라고 하고 상기 저전압측 회로의 주스위치가 제1 및 제5스위치(S1)(S5)인 경우에 있어서, 상기 제1 및 제5 스위치(S1)(S5)가 D라는 듀티를 가지도록 제어되면 보조스위치인 제2 및 제6스위치(S2)(S6)는 (1-D)라는 듀티를 가지게 되는 것을 의미한다.
또한, 상기 경우에 있어서 양 스위치는 서로 겹치는 동작시간이 없도록 제어되는데, 즉 제1스위치(S1)가 턴온 되면 제2스위치(S2)가 턴오프 되고 제1스위치(S1)가 턴오프 되면 제2스위치(S2)가 턴온 된다.
따라서, 본 발명에 따른 양방향 승압 컨버터의 제어부는 전압 검출부의 출력을 이용하여 구해지는 전압 전달비와 미리 설정된 전압전달비를 비교한 후, 구해진 전압전달비가 더 큰 경우이면 유효 듀티를 감소시키고 그 반대인 경우이면 유효 듀티를 증가시키는 방식으로 각 스위치의 동작을 제어하게 되는 것이다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터에 적용된다. 특히, 입력된 직류 전압으로 고승압비로 승압하고자 하는 직류-직류 컨버터에 효과적으로 적용된다.
10: 제1승압부
11: 제1 필터 인덕터
12: 제1 스위칭부
13: 제1 보조회로
20: 제2 승압부
21: 제2 필터 인덕터
22: 제2 스위칭부
23: 제2 보조회로

Claims (15)

  1. 입력된 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하고, 고주파 성분이 제거된 전압을 복수의 스위칭 소자를 통해 한 주기 내에 상보적인 스위칭을 한 후, 전압 체배 및 정류를 하여 출력해주는 제1 승압부; 상기 제1 승압부와 병렬로 연결되어 입력된 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하고, 고주파 성분이 제거된 전압을 복수의 스위칭 소자를 통해 한 주기 내에 상보적인 스위칭을 한 후, 전압 체배 및 정류를 하여 출력해주는 제2 승압부를 포함하고,
    상기 제1 승압부의 출력 및 상기 제2 승압부의 출력과 입력 전압을 직렬로 결합하여 출력전압으로 부하 측에 공급하며,
    상기 제1 승압부는 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하기 위한 제1 필터 인덕터; 게이트로 입력되는 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하여 상기 제1 필터 인덕터의 출력 전압을 스위칭하는 제1 스위칭부; 상기 제1 스위칭부의 상보적인 온/오프를 통해 출력된 전압을 체배하고 정류하여 출력하는 제1 보조 회로를 포함하고,
    상기 제1 보조 회로는 상기 제1 필터 인덕터의 출력과 연결되는 제1 보조 커패시터; 상기 제1 필터 인덕터와 결합하여 상기 제1 및 제2 스위칭 소자가 소프트 스위칭하도록 하는 제1 보조 인덕터; 상기 제1 보조 인덕터의 출력 전압 및 상기 제1 및 제2 스위칭 소자의 출력 전압을 정류하는 제1 및 제2 다이오드; 정류된 전압과 역방향 입력 전압을 충전하는 제1 및 제2 커패시터를 포함하며,
    상기 제2 승압부는 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하기 위한 제2 필터 인덕터; 게이트로 입력되는 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하여 상기 제2 필터 인덕터의 출력 전압을 스위칭하는 제2 스위칭부; 상기 제2 스위칭부의 상보적인 온/오프를 통해 출력된 전압을 체배하고 정류하여 출력하는 제2 보조 회로를 포함하고,
    상기 제2 보조 회로는 상기 제2 필터 인덕터의 출력과 연결되는 제2 보조 커패시터; 상기 제2 필터 인덕터와 결합하여 상기 제3 및 제4 스위칭 소자가 소프트 스위칭하도록 하는 제2 보조 인덕터; 상기 제2 보조 인덕터의 출력 전압 및 상기 제3 및 제4 스위칭 소자의 출력 전압을 정류하는 제3 및 제4 다이오드; 정류된 전압과 역방향 입력 전압을 충전하는 제3 및 제4 커패시터를 포함하며,
    출력 측에 구비된 상기 제1 내지 제4 커패시터 하나 당 입력전압의 2배의 전압을 충전하며, 상기 제1 내지 제4 커패시터의 출력과 직렬로 역방향의 입력전압의 결선에 의해 입력 전압을 7배로 승압하며,
    상기 제1 내지 제4 커패시터를 통해 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자 및 제1 내지 제4 다이오드의 소자 전압 경격을 낮추어 상기 복수 스위칭 소자 및 복수 다이오드에서 발생하는 손실을 최소화하는 것을 특징으로 하는 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 출력전압은 상기 제1승압부 및 제2 승압부의 출력전압 합과 역방향으로 결선되어 있는 입력전압의 차로 결정되는 것을 특징으로 하는 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 스위칭부는 상기 제1 필터 인덕터와 병렬로 연결되어 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하는 제1 및 제2 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 스위칭부는 상기 제2 필터 인덕터와 병렬로 연결되어 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하는 제3 및 제4 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터.
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KR20200083789A (ko) 2018-12-28 2020-07-09 한국자동차연구원 전기동력 자동차용 고전압 직류변환장치

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