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KR102705539B1 - Interleaved Converters Using The Secondary LLC Resonant Circuit, And Power Converting Apparatus Using The Same - Google Patents

Interleaved Converters Using The Secondary LLC Resonant Circuit, And Power Converting Apparatus Using The Same Download PDF

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KR102705539B1
KR102705539B1 KR1020230067961A KR20230067961A KR102705539B1 KR 102705539 B1 KR102705539 B1 KR 102705539B1 KR 1020230067961 A KR1020230067961 A KR 1020230067961A KR 20230067961 A KR20230067961 A KR 20230067961A KR 102705539 B1 KR102705539 B1 KR 102705539B1
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KR
South Korea
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resonant
primary
interleaved
circuit
llc
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Inventor
김은수
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전주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 제안된 인터리브제어 2차측 LLC 공진회로를 통하여, 순방향 동작시는 공진주파수(fr) 부근 일정 스위칭주파수(fs)에서 개별 1차측 풀-브리지 회로(FB1, FB2) 인터리브 위상변이제어(DP : Interleaved Modulation, IM)를 통해서 0전압에서 이득제어범위(Gv=0~2)까지 출력전압(Vo)을 제어하며 전력전달할 수 있고, 역방향 동작의 경우는 변압기(T1, T2) 자화인덕턴스(Lm1, Lm1')와 1, 2차측 누설인덕턴스(Ll1, Ll1', Ll2, Ll2') 및 2차측 공진커패시터(Cs)와의 LLC 공진이득특성을 이용하여 2차측 풀-브리지(FB3) 스위칭소자의 가변주파수제어(FM)를 통해 출력단 에너지를 입력단으로 전력전달할 수 있는 주회로 방식의, 신규한 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터를 제공하는 것이다.The present invention can control the output voltage (V o ) from 0 voltage to the gain control range (G v = 0~2) and transmit power through the interleaved phase shift control (D P : Interleaved Modulation, IM) of individual primary full-bridge circuits (FB1, FB2) at a constant switching frequency (f s ) around the resonant frequency (f r ) during forward operation through the proposed interleaved control secondary LLC resonant circuit, and in the case of reverse operation, the LLC resonant gain characteristics of the magnetizing inductance (L m1 , L m1 ') of the transformer (T 1 , T 2 ) and the primary and secondary leakage inductances (L l1 , L l1 ', L l2 , L l2 ') and the secondary resonant capacitor (C s ) are utilized to control the output stage energy through variable frequency control (FM) of the secondary full-bridge (FB3) switching element. A novel secondary LLC resonant circuit-applied interleaved converter is provided, which is a main circuit type capable of transmitting power to an input terminal.

Description

2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터 및 이를 채용하는 전력변환장치{Interleaved Converters Using The Secondary LLC Resonant Circuit, And Power Converting Apparatus Using The Same}Interleaved converter using the secondary LLC resonant circuit and power converting apparatus using the same {Interleaved Converters Using The Secondary LLC Resonant Circuit, And Power Converting Apparatus Using The Same}

본 발명은 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존 2개의 1차측 LLC 공진회로를 2차측 하나의 공진회로로 변경한 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to an interleaved converter applying an LLC resonant circuit, and more specifically, to an interleaved converter applying a secondary-side LLC resonant circuit by changing two existing primary-side LLC resonant circuits into one secondary-side resonant circuit.

최근 마이크로그리드시스템, 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage System), 전기자동차 OBC(One Board Charger) 및 배터리 충·방전시스템, 연료전지 전력변환장치 등 응용분야에서 넓은 입출력전압제어범위를 갖는 DC-DC 컨버터(Bi-directional DC-DC Converter) 전력변환장치가 요구되고 있다. Recently, a DC-DC converter (Bi-directional DC-DC Converter) power conversion device with a wide input/output voltage control range is required in application fields such as microgrid systems, energy storage systems (ESS), electric vehicle OBC (One Board Charger) and battery charging/discharging systems, and fuel cell power conversion devices.

이러한 DC-DC 컨버터(Bi-directional DC-DC Converter) 는, 단방향 DC-DC 컨버터(Uni-directional DC-DC Converter) 및 양방향 DC-DC 컨버터(Bi-directional DC-DC Converter)가 있는바, 먼저, 단방향 DC-DC 컨버터(Uni-directional DC-DC Converter)에 대하여 설명한다.These DC-DC converters (Bi-directional DC-DC Converters) include uni-directional DC-DC converters (Uni-directional DC-DC Converters) and bi-directional DC-DC converters (Bi-directional DC-DC Converters). First, the uni-directional DC-DC converter (Uni-directional DC-DC Converter) will be explained.

최근 배터리 또는 수소연료전지 등 낮은 입력전원에서 높은 고전압 승압비를 요구하는 PCS(Power Conditioning System) 및 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage System)에 절연형 승압 DC-DC 컨버터가 적용, 검토되고 있다. 이를 위한 DC-DC 컨버터로 도 1과 같이 변압기누설인덕턴스(직렬로 공진인덕터 적용가능)와 자화인덕턴스를 공진요소로 고려하여 스위칭주파수 가변제어를 통해 이득제어할 수 있고, 넓은 입출력전압조건에서 영전압스위칭동작(ZVS: Zero Voltage Switching)할 수 있는 1차측 LLC (P-LLC) 공진컨버터를 적용한 승압컨버터가 검토되고 있다 (제1 종래기술). 하지만, 공진주파수(fs/fr=1) 이상에서는 이득변화가 없고, 특히 도 2에 나타낸 바와 같이 높은 스위칭주파수 동작영역에서는 도 1에 나타낸 출력정류다이오드 및 변압기 2차측 권선에 존재하는 기생커패시턴스(Cp)에 따라 이득이 상승하여 가변스위칭주파수제어(FM, Frequency Modulation)를 통해 넓은 출력전압제어에 한계성을 갖고 있다. Recently, insulated boost DC-DC converters are being applied and reviewed in PCS (Power Conditioning Systems) and ESS (Energy Storage Systems) that require a high voltage step-up ratio from a low input power source such as a battery or hydrogen fuel cell. For this purpose, as a DC-DC converter, a boost converter that can control gain through variable switching frequency control by considering transformer leakage inductance (resonant inductor can be applied in series) and magnetizing inductance as resonant elements as shown in Fig. 1 and that applies a primary LLC (P-LLC) resonant converter that can perform zero voltage switching operation (ZVS) under wide input/output voltage conditions is being reviewed (First Prior Art). However, there is no change in gain above the resonant frequency (f s /f r = 1), and especially in the high switching frequency operating range as shown in Fig. 2, the gain increases according to the parasitic capacitance (C p ) present in the output rectifier diode and the secondary winding of the transformer as shown in Fig. 1, so there is a limitation in wide output voltage control through variable switching frequency control (FM, Frequency Modulation).

그리고, 이를 개선하기 위해 도 3과 도 4에 나타낸 공진회로 1차측 또는 2차측에 LC 병렬공진회로인 노치필터(Notch Filter)를 적용한 LLC-LC 공진컨버터가 적용되어, 좁은 스위칭주파수 제어범위에서 넓은 출력전압제어범위를 가질 수 있었다 (제2 종래기술). 하지만, 별도로 1차측 LPCP (또는 2차측 LfCf)병렬공진회로인 노치필터(Notch Filter)를 적용해야 하고, 출력전압(Vo)이 0로 저감 및 출력부하 단락동작시 병렬공진회로(Notch Filter)에 많은 병렬공진전류가 흐르는 단점을 갖고 있다.And, in order to improve this, an LLC-LC resonant converter with a notch filter, which is an LC parallel resonant circuit, applied to the primary side or the secondary side of the resonant circuit shown in FIGS. 3 and 4 was applied, so that a wide output voltage control range could be achieved in a narrow switching frequency control range (Second Prior Art). However, it has a disadvantage that a notch filter, which is a primary side L P C P (or secondary side L f C f ) parallel resonant circuit, must be applied separately, and a large parallel resonant current flows in the parallel resonant circuit (Notch Filter) when the output voltage (V o ) is reduced to 0 and the output load is short-circuited.

한편, 이를 보완하기 위해 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이 1차 측은 병렬로 두 개의 1차측 풀-브리지(또는 하프-브리지) LLC 공진컨버터가 연결되어 있고, 2차측은 출력전압제어범위에 따라 도 5a 및 도 5b 와 같이 하이브리드 정류기로 동작되어 동작함으로 출력을 제어할 수 있는 “하이브리드 정류방식 인터리브(Interleaved) LLC 공진컨버터”가 발표되고 있다 (제3 종래기술). 하이브리드 정류방식 인터리브 (Interleaved) LLC 공진컨버터는, 도 5a, 도 5b 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 두 가지 제어를 통해 출력전압을 제어한다. 첫째, 인터리브 위상변위제어(φ, PM: Phase-shifted Modulation) 경우는, 도 5a와 도 6에 나타낸 바와 같이 공진주파수(fr) 부근의 고정된 일정 스위칭주파수(fs)에서, 두 개의 1차측 풀-브리지 LLC 공진컨버터 인터리브 위상변위제어(PM)를 통해, 출력전압제어(Gv=1~2) 범위를 갖고 동작한다. 둘째, 가변스위칭주파수제어(FM : Frequency Modulation)는, 도 5b와 도 6에 나타낸 바와 같이, 인터리브 위상변위제어(φ=π)가 동상(In-Phase)이 되고, 공진주파수(fr) 보다 낮은 주파수영역에서 1차측 병렬 풀-브리지 LLC 공진컨버터는 스위칭 동기되어, 가변스위칭주파수(FM, fs)를 통해 보다 높은 이득제어범위를 갖고 출력을 제어한다. 도 5a의 하이브리드정류다이오드를 갖는 인터리브 LLC 공진컨버터의 1차측 스위칭소자는, 영전압스위칭(ZVS)을 하고, 넓은 범위에서 입출력전압제어에 대응할 수 있다. 하지만 도 5a와 같이 하이브리드정류다이오드를 갖는 인터리브(Interleaved) 풀-브리지 LLC 공진컨버터들이 인터리브 위상변이제어(PM) 동작 시, 위상변이제어(φ)가 0(Out-Phase)로 저감하더라도 이득제어범위(Gv=1~2)의 한계성에 따라 출력전압이 0로 저감할 수 없어, 보다 넓은 출력전압제어범위를 갖고 동작하기 어렵고, 특히 출력전압을 0로 저감할 수 없어 과부하 및 단락부하시에 과도한 전류가 흐를 수 있다. Meanwhile, to supplement this, as shown in FIGS. 5a and 5b, a “hybrid rectification method interleaved LLC resonant converter” has been disclosed, which can control the output by operating as a hybrid rectifier as shown in FIGS. 5a and 5b depending on the output voltage control range, in which two primary full-bridge (or half-bridge) LLC resonant converters are connected in parallel on the primary side, and the secondary side operates as a hybrid rectifier as shown in FIGS. 5a and 5b (Third Prior Art). The hybrid rectification method interleaved LLC resonant converter controls the output voltage through two controls, as shown in FIGS. 5a, 5b, and 6. First, in the case of interleaved phase shift control (φ, PM : Phase -shifted Modulation ), as shown in FIGS. 5a and 6, the two primary full-bridge LLC resonant converters operate with an output voltage control range (G v = 1~2) through interleaved phase shift control (PM) at a fixed constant switching frequency (f s ) near the resonant frequency (f r ). Second, in the case of variable switching frequency control ( FM : Frequency Modulation ), as shown in FIGS. 5b and 6, the interleaved phase shift control (φ = π) is in-phase, and the primary parallel full-bridge LLC resonant converters are switched in synchronization in a frequency range lower than the resonant frequency (f r ), thereby controlling the output with a higher gain control range through the variable switching frequency ( FM, f s ). The primary switching element of the interleaved LLC resonant converter having the hybrid rectifier diode of Fig. 5a can perform zero voltage switching (ZVS) and respond to input/output voltage control in a wide range. However, when the interleaved full-bridge LLC resonant converters having the hybrid rectifier diodes as shown in Fig. 5a operate under the interleaved phase shift control ( PM ), even if the phase shift control (φ) is reduced to 0 (Out-Phase), the output voltage cannot be reduced to 0 due to the limitation of the gain control range (G v = 1 to 2), making it difficult to operate with a wider output voltage control range. In particular, since the output voltage cannot be reduced to 0, excessive current may flow under overload and short-circuit loads.

다른 한편, 전류불평형 저감 및 영전압 스위칭을 위해 하프-브리지 커플인덕터 적용 인터리브 LLC 공진컨버터가 적용되고 있지만, 인터리브위상변이제어회로가 아닌 두 개의 컨버터가 동상에서 가변주파수제어 스위칭 동작되고, 출력전압을 0까지 저감할 수 없어 단락부하 시 대응이 어렵다.On the other hand, an interleaved LLC resonant converter with a half-bridge coupled inductor is applied to reduce current imbalance and achieve zero voltage switching, but it is difficult to respond to a short-circuit load because two converters, not an interleaved phase shift control circuit, perform variable frequency control switching in phase and the output voltage cannot be reduced to zero.

또다른 한편, 출력전압제어범위(Gv=0~2) 를 넓이기 위해, 도 7에 나타낸 바와 같이, 하이브리드 정류기가 아닌 브리지정류방식을 채용하고, 변압기 2차측 권선이 항상 직렬연결 동작되도록 한 인터리브 풀-브리지 LLC 공진컨버터 주회로 방식을 적용 검토되고 있다 (제4 종래기술). 하지만, 인터리브 위상변이제어(φ)에 따라 1차측 공진전류불평형(ILr1, ILr2)의 큰 단점이 있다. 또한 인터리브 위상변이제어(φ)가 최소(0, Out-Phase)가 되어, 출력전압(Vo)을 0까지 저감할 수 있어, 넓은 출력전압제어범위로 동작할 수 있다. 하지만 인터리브 위상변위제어(φ)가 최소로 제어될 경우, 출력전압(Vo)이 너무 낮아져 변압기 1차측으로 유도되는 전압이 작아, 영전압스위칭(ZVS)을 위해 필요로 하는 변압기 1차측 자화전류(ILr1=ILm1, ILr2=ILm2)가 흐르지 않아, 1차측 풀-브리지 LLC 공진컨버터 스위칭소자들이 하드스위칭(Hard Switching) 하는 문제가 발생한다. On the other hand, in order to widen the output voltage control range (G v = 0 to 2), an interleaved full-bridge LLC resonant converter main circuit method is being considered, which adopts a bridge rectifier method instead of a hybrid rectifier, as shown in Fig. 7, and ensures that the secondary windings of the transformer are always connected in series (4th Prior Art). However, there is a major disadvantage of primary resonance current imbalance (I Lr1 , I Lr2 ) depending on the interleaved phase shift control (φ). In addition, since the interleaved phase shift control (φ) becomes minimum (0, Out-Phase), the output voltage (V o ) can be reduced to 0, so that operation can be performed in a wide output voltage control range. However, when the interleaved phase shift control (φ) is controlled to a minimum, the output voltage (V o ) becomes too low, so that the voltage induced to the primary side of the transformer is small, and the primary magnetizing current (I Lr1 = I Lm1 , I Lr2 = I Lm2 ) of the transformer required for zero voltage switching (ZVS) does not flow, causing a problem of hard switching of the primary side full-bridge LLC resonant converter switching elements.

마지막으로, 도 8에 나타낸 바와 같이, 넓은 입출력전압제어범위를 갖기 위해, 하이브리드 정류기가 아닌 브리지정류방식을 채용한 양방향 컨버터로써, 순방향동작(Forward Operation)시 변압기 2차측권선이 항상 직렬연결 동작되도록 인터리브 위상변이제어 풀-브리지 LLC 공진컨버터 주회로 방식이 적용 검토되고 있다(제5 종래기술). 그러나, 앞서 도 7에 나타낸 바와 같이, 인터리브 위상제어(φ)가 최소(0)가 되어 출력전압(Vo)을 0까지 저감할 수 있어 넓은 출력전압 제어범위를 갖기는 하지만 인터리브 위상변위제어(φ) 시, 1차측 공진전류(ILr1=IP1, ILr2=IP2) 불평형이 발생될 수 있고, 특히 앞서 기술한 바와 같이 인터리브 위상제어(φ)가 최소로 제어될 경우, 출력전압(Vo)이 너무 낮아져 1차측으로 유도되는 전압이 작아, 변압기 1차측 자화전류(ILr1=IP1=Im1, ILr2=IP2=Im1')가 흐르지 않아, 도 9에 나타낸 바와 같이, 1차측 풀-브리지 LLC 공진컨버터 스위칭소자들이 하드스위칭하는 문제가 발생한다. 또한, 도 8에 나타낸 바와 같이, 역방향동작(Reverse Operation)시는, 승·강압할 수 있는 LLC 공진이득특성이 아닌 SRC(Series Resonant Converter) 이득특성을 가져 전압제어가 되지 않음으로, 승·강압제어할 수 있는 2차측에 별도로 비절연 승·강압컨버터(Buck-Boost Converter)가 필요함으로 전력변환단계가 많은 단점을 갖는다. Finally, as shown in Fig. 8, in order to have a wide input/output voltage control range, a bidirectional converter that adopts a bridge rectifier method rather than a hybrid rectifier method is being reviewed for application of an interleaved phase shift control full-bridge LLC resonant converter main circuit method so that the secondary winding of the transformer is always operated in series connection during forward operation (5th prior art). However, as shown in FIG. 7 above, although the output voltage (V o ) can be reduced to 0 when the interleaved phase control (φ) is minimum (0), thereby providing a wide output voltage control range, when the interleaved phase shift control (φ) is performed, an imbalance in the primary resonant current (I Lr1 = I P1 , I Lr2 = I P2 ) may occur, and in particular, when the interleaved phase control (φ) is controlled to a minimum as described above, the output voltage (V o ) becomes too low and the voltage induced to the primary side becomes small, so that the primary magnetizing current (I Lr1 = I P1 = I m1 , I Lr2 = I P2 = I m1 ') of the transformer does not flow, and as shown in FIG. 9, a problem occurs in which the primary full-bridge LLC resonant converter switching elements hard-switch. In addition, as shown in Fig. 8, in the case of reverse operation, since it has the SRC (Series Resonant Converter) gain characteristic instead of the LLC resonant gain characteristic that can be boosted and lowered, voltage control is not possible, and therefore a separate non-isolated buck-boost converter that can be boosted and lowered is required on the secondary side, which has many disadvantages in that the power conversion stage is large.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은, 제안된 인터리브제어 2차측 LLC 공진회로를 통하여, 순방향 동작시는 공진주파수(fr) 부근 일정 스위칭주파수(fs)에서 개별 1차측 풀-브리지 회로(FB1, FB2) 인터리브 위상변이제어(DP : Interleaved Modulation, IM)를 통해서 0전압에서 이득제어범위(Gv=0~2)까지 출력전압(Vo)을 제어하며 전력전달할 수 있고(도 12a ~ 도 12c 참조), 역방향 동작의 경우는 변압기(T1, T2) 자화인덕턴스(Lm1, Lm1')와 1, 2차측 누설인덕턴스(Ll1, Ll1', Ll2, Ll2') 및 2차측 공진커패시터(Cs)와의 LLC 공진이득특성을 이용하여 2차측 풀-브리지(FB3) 스위칭소자의 가변주파수제어(FM)를 통해 출력단 에너지를 입력단으로 전력전달할 수 있는 주회로 방식의(도 13a ~ 도 13c 참조), 신규한 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터를 제공하기 위한 것이다.The present invention is to solve the above problems, and its purpose is to control the output voltage (V o ) from 0 voltage to the gain control range (G v = 0~2) and transmit power through the interleaved phase shift control ( D P : Interleaved Modulation, IM) of individual primary full-bridge circuits (FB1, FB2) at a constant switching frequency (f s ) around the resonant frequency (f r ) during forward operation through the proposed interleaved control secondary LLC resonant circuit (see Figs. 12a to 12c), and in the case of reverse operation, by utilizing the LLC resonant gain characteristics of the magnetizing inductance (L m1 , L m1 ') of the transformer (T 1 , T 2 ) and the leakage inductances (L l1 , L l1 ', L l2 , L l2 ') of the primary and secondary sides and the secondary resonant capacitor (C s ). The present invention provides a novel secondary LLC resonant circuit-applied interleaved converter (see Figs. 13a to 13c) capable of transferring output end energy to input end power through variable frequency control (FM) of secondary end full-bridge (FB3) switching elements.

이상의 목적 및 다른 추가적인 목적들이, 첨부되는 청구항들에 의해 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서, 당업자들에게 명백히 인식될 수 있을 것이다.The above objects and other additional objects will be apparent to those skilled in the art without departing from the technical spirit of the present invention by the appended claims.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따르는 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터는, LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터에 있어서, n개(n≥2)의 변압기; 상기 n개의 변압기 1차측에 각각 연결되는 n개의 풀-브리지 회로; 및 상기 n개의 변압기 2차측에 상호 직렬로 연결되며 2차측에서 하나의 공진회로를 적용한 인터리브 2차측 LLC (S-LLC) 공진회로; 를 포함하며, 1차측에서 상기 n개의 풀-브리지 회로가 병렬로 동작하도록 하면서, 1차측에 유도되는 상기 n개의 변압기의 각각의 1차측 공진전류(IP1, IP2) 불평형이 최소화되도록 동작하고, 2차측에서는 하나의 공진회로를 적용함으로써 부품요소를 최소화하면서 과부하 및 단락부하에도 위상변이제어(DP)를 0(Out-Phase)로 저감하여 출력전압(Vo)을 0전압으로 감소시켜 과부하 또는 단락전류를 제한할 수 있는 것을 특징으로 한다.According to the first aspect of the present invention for solving the above problem, an interleaved converter applying a secondary LLC resonant circuit comprises: n (n≥2) transformers; n full-bridge circuits respectively connected to the primary sides of the n transformers; and an interleaved secondary LLC (S-LLC) resonant circuit which is connected in series with each other to the secondary sides of the n transformers and applies one resonant circuit to the secondary sides; Including the n full-bridge circuits on the primary side, the n transformers' respective primary-side resonance current (I P1 , I P2 ) imbalances induced on the primary side are minimized while allowing the n full-bridge circuits to operate in parallel on the primary side, and by applying one resonant circuit on the secondary side, the component elements are minimized while reducing the phase shift control (D P ) to 0 (Out-Phase) even under overload and short-circuit load, thereby reducing the output voltage (V o ) to 0 voltage, thereby limiting the overload or short-circuit current.

이때, 상기 2차측에서 보조병렬인덕터(LA)를 추가로 포함하는 것이 가능하다.At this time, it is possible to additionally include an auxiliary parallel inductor (L A ) on the secondary side.

한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제2 측면에 따르는 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터는, LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터에 있어서, n개(n≥2)의 변압기; 상기 n개의 변압기 1차측에 각각 연결되는 n개의 하프-브리지 회로; 및 상기 n개의 변압기 2차측에 상호 직렬로 연결되며 2차측에서 하나의 공진회로를 적용한 인터리브 2차측 LLC (S-LLC) 공진회로; 를 포함하며, 1차측에서 상기 n개의 하프-브리지 회로가 병렬로 동작하도록 하면서, 1차측에 유도되는 상기 n개의 변압기의 각각의 1차측 공진전류(IP1, IP2) 불평형이 최소화되도록 동작하고, 2차측에서는 하나의 공진회로를 적용함으로써 부품요소를 최소화하면서 과부하 및 단락부하에도 위상변이제어(DP)를 0(Out-Phase)로 저감하여 출력전압(Vo)을 0전압으로 감소시켜 과부하 또는 단락전류를 제한할 수 있는 것을 특징으로 한다.Meanwhile, according to the second aspect of the present invention for solving the above problem, an interleaved converter applying a secondary LLC resonant circuit comprises: n (n≥2) transformers; n half-bridge circuits respectively connected to the primary sides of the n transformers; and an interleaved secondary LLC (S-LLC) resonant circuit which is connected in series with each other to the secondary sides of the n transformers and applies one resonant circuit to the secondary side; Including the n half-bridge circuits on the primary side, the n transformers' respective primary resonance current (I P1 , I P2 ) imbalances induced on the primary side are minimized while allowing the n half-bridge circuits to operate in parallel on the primary side, and by applying one resonant circuit on the secondary side, the component elements are minimized while reducing the phase shift control (D P ) to 0 (Out-Phase) even under overload and short-circuit load, thereby reducing the output voltage (V o ) to 0 voltage, thereby limiting the overload or short-circuit current.

바람직하게는, 상기 n개의 풀-브리지 회로의 각각의 1차측 풀-브리지 단자(a-b, c-d) 중 하나와 대응되는 변압기의 1차측누설인덕턴스(Ll1, Ll1')와 자화인덕턴스(Lm1, Lm1')로 구성된 1차측 단자 중 하나 사이에 직렬 연결되는 DC 블록킹커패시터(CB1, CB2)가, 각각 연결되어 있고, 상기 풀-브리지 회로의 상기 1차측 풀-브리지 단자(a-b, c-d) 중 타단과 변압기 1차측 단자 중 타단이 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.Preferably, DC blocking capacitors (C B1 , C B2 ) are connected in series between one of the primary side terminals ( ab , cd) of each of the n full-bridge circuits and one of the primary side terminals composed of the primary side leakage inductance (L l1 , L l1 ') and the magnetizing inductance (L m1 , L m1 ' ) of the corresponding transformer, and the other of the primary side full-bridge terminals (ab, cd) of the full-bridge circuit and the other of the primary side terminals of the transformer are connected.

또한 바람직하게는, 상기 n개의 하프-브리지 회로의 각각의 1차측 하프-브리지 단자(a-b, c-d) 중 하나와 대응되는 변압기의 1차측누설인덕턴스(Ll1, Ll1')와 자화인덕턴스(Lm1, Lm1')로 구성된 1차측 단자 중 하나 사이에 직렬 연결되는 DC 블록킹커패시터(CB1, CB2)가, 각각 연결되어 있고, 상기 하프-브리지 회로의 상기 1차측 하프-브리지 단자(a-b, c-d) 중 타단과 변압기 1차측 단자 중 타단이 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.Also preferably, DC blocking capacitors (C B1 , C B2 ) are connected in series between one of the primary half-bridge terminals (ab, cd) of each of the n half-bridge circuits and one of the primary terminals composed of the primary leakage inductance (L l1 , L l1 ' ) and the magnetizing inductance (L m1 , L m1 ' ) of the corresponding transformer, and the other of the primary half-bridge terminals (ab, cd) of the half-bridge circuit and the other of the primary terminals of the transformer are connected.

또한 바람직하게는, 상기 n개의 변압기의 각각의 변압기 2차측 누설인덕턴스(Ll2, Ll2')를 포함한 변압기 2차측 권선은 직렬 연결되어 있고, 직렬 연결된 단자 중 하나와 스위칭소자(S1-S2, S3-S4)로 구성된 2차측브리지정류다이오드부 단자(e-f) 중 하나와 직렬 연결된 2차측공진커패시터(Cs)가 결선되어 2차측 LLC 공진회로로 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, preferably, the secondary windings of the transformers including the secondary leakage inductances (L l2 , L l2 ') of each of the n transformers are connected in series, and one of the series-connected terminals and one of the terminals (ef) of the secondary bridge rectifier diode section consisting of switching elements (S 1 -S 2 , S 3 -S 4 ) are connected in series with a secondary resonant capacitor (C s ) to form a secondary LLC resonant circuit.

또한 바람직하게는, 상기 인터리브 컨버터는 양방향 컨버터인 것을 특징으로 한다.Also preferably, the interleaved converter is characterized in that it is a bidirectional converter.

또한 바람직하게는, 상기 변압기(T1, T2) 1차측은 누설인덕턴스 대신에 별도의 공진인덕터(LrP1, LrP2)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the primary side of the transformer (T 1 , T 2 ) is characterized by additionally including a separate resonant inductor (L rP1 , L rP2 ) instead of a leakage inductance.

또한 바람직하게는, 상기 변압기(T1, T2) 2차측은 누설인덕턴스 대신에 별도의 공진인덕터(LrS)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the secondary side of the transformer (T 1 , T 2 ) is characterized by additionally including a separate resonant inductor (L rS ) instead of a leakage inductance.

가장 또한 바람직하게는, n=2 인 것을 특징으로 한다.Most preferably, it is characterized by n=2.

다른 한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제3 측면에 따르는 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터는, 인터리브 위상변위제어 2차측 LLC 공진회로를 갖는 컨버터로서, 순방향 동작시는 공진주파수(fr) 부근 일정스위칭주파수(fs)에서 개별 1차측 풀-브리지 회로 간 인터리브 위상변위제어를 통해서 0전압에서 이득제어범위(Gv)까지 출력전압(Vo)을 제어하며 전력전달할 수 있고, 역방향 동작의 경우는 변압기(T1, T2) 자화인덕턴스(Lm1, Lm1')와 1, 2차측 누설인덕턴스(Ll1, Ll1', Ll2, Ll2') 및 2차측 공진커패시터(Cs)와의 LLC 공진이득특성을 이용하여 가변주파수제어를 통해 출력(Vo)단 에너지를 입력단(Vin)으로 전력전달할 수 있는 주회로를 포함하며, 순방향 동작시는 변압기(T1, T2) 1, 2차측 누설인덕턴스(Ll1, Ll1', Ll2, Ll2')와 2차측공진커패시터(Cs)와의 공진을 이용하여 인터리브 위상변위제어(DP, PM)를 통해 순방향 전력전달하고, 역방향 동작시는 변압기(T1, T2)의 자화인덕턴스(Lm1, Lm1')와 누설인덕턴스(Ll1, Ll1', Ll2, Ll2')로 구성된 등가누설인덕턴스 및 2차측공진커패시터(Cs)와 LLC공진이득특성에 따른 가변스위칭주파수제어(FM)를 통해 역방향전력전달됨으로써, 양방향 모두 공진이득특성을 갖는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the interleaved converter with the secondary LLC resonant circuit according to the third aspect of the present invention for solving the above problem is a converter having an interleaved phase shift controlled secondary LLC resonant circuit, which can control the output voltage (V o ) from 0 voltage to the gain control range (Gv) and transmit power through the interleaved phase shift control between individual primary full-bridge circuits at a constant switching frequency (f s ) around the resonant frequency (f r ) during forward operation, and in the case of reverse operation, the magnetizing inductance (L m1 , L m1 ') of the transformer (T 1 , T 2 ) and the leakage inductance (L l1 , L l1 ', The LLC resonance gain characteristic with the secondary resonant capacitor (C s ) and the secondary resonant capacitor (L l2 , L l2 ' ) is used to transfer the energy of the output (V o ) terminal to the input terminal (V in ) through variable frequency control, and in the forward operation, the primary and secondary leakage inductances of the transformer (T 1 , T 2 ) are used. The forward power is transmitted through interleaved phase shift control (D P , PM) by utilizing the resonance between the secondary resonant capacitor (C s ) and the secondary resonant capacitor (L l2 , L l2 '), and when operating in the reverse direction , the magnetizing inductance (L m1 , L m1 ' ) and leakage inductance (L l1 , L l1 ', It is characterized by having resonance gain characteristics in both directions by transmitting power in the reverse direction through variable switching frequency control (FM) according to LLC resonance gain characteristics and a secondary resonance capacitor (C s ) composed of an equivalent leakage inductance (L l2 , L l2 ').

또다른 한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제4 측면에 따르는 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터는, 인터리브 위상변위제어 2차측 LLC 공진회로를 갖는 컨버터로서, 순방향 동작시는 공진주파수(fr) 부근 일정스위칭주파수(fs)에서 개별 1차측 하프-브리지 회로 간 인터리브 위상변위제어를 통해서 0전압에서 이득제어범위(Gv)까지 출력전압(Vo)을 제어하며 전력전달할 수 있고, 역방향 동작의 경우는 변압기(T1, T2) 자화인덕턴스(Lm1, Lm1')와 1, 2차측 누설인덕턴스(Ll1, Ll1', Ll2, Ll2') 및 2차측 공진커패시터(Cs)와의 LLC 공진이득특성을 이용하여 가변주파수제어를 통해 출력(Vo)단 에너지를 입력단(Vin)으로 전력전달할 수 있는 주회로를 포함하며, 순방향 동작시는 변압기(T1, T2) 1, 2차측 누설인덕턴스(Ll1, Ll1', Ll2, Ll2')와 2차측공진커패시터(Cs)와의 공진을 이용하여 인터리브 위상변위제어(DP, PM)를 통해 순방향 전력전달하고, 역방향 동작시는 변압기(T1, T2)의 자화인덕턴스(Lm1, Lm1')와 누설인덕턴스(Ll1, Ll1', Ll2, Ll2')로 구성된 등가누설인덕턴스 및 2차측공진커패시터(Cs)와 LLC공진이득특성에 따른 가변스위칭주파수제어(FM)를 통해 역방향전력전달됨으로써, 양방향 모두 공진이득특성을 갖는 것을 것을 특징으로 한다.On the other hand, according to the fourth aspect of the present invention for solving the above problem, the interleaved converter having the secondary LLC resonant circuit is a converter having the secondary LLC resonant circuit with interleaved phase shift control, which can control the output voltage (V o ) from 0 voltage to the gain control range (Gv) and transmit power through the interleaved phase shift control between individual primary half-bridge circuits at a constant switching frequency (f s ) around the resonant frequency (f r ) during forward operation, and in the case of reverse operation, the magnetizing inductance (L m1 , L m1 ') of the transformer (T 1 , T 2 ) and the leakage inductance (L l1 , L l1 ', The LLC resonance gain characteristic with the secondary resonant capacitor (C s ) and the secondary resonant capacitor (L l2 , L l2 ' ) is used to transfer the energy of the output (V o ) terminal to the input terminal (V in ) through variable frequency control, and in the forward operation, the primary and secondary leakage inductances of the transformer (T 1 , T 2 ) are used. The forward power is transmitted through interleaved phase shift control (D P , PM) by utilizing the resonance between the secondary resonant capacitor (C s ) and the secondary resonant capacitor (L l2 , L l2 '), and when operating in the reverse direction , the magnetizing inductance (L m1 , L m1 ' ) and leakage inductance (L l1 , L l1 ', It is characterized by having resonance gain characteristics in both directions by transmitting power in the reverse direction through variable switching frequency control (FM) according to LLC resonance gain characteristics and a secondary resonance capacitor (C s ) composed of an equivalent leakage inductance (L l2 , L l2 ').

바람직하게는, 상기 이득제어범위(Gv)는, 'Gv=0~2' 인 것을 특징으로 한다.Preferably, the gain control range (Gv) is characterized as 'G v = 0 to 2'.

또한 바람직하게는, 상기 인터리브 위상변위제어(DP)는, 'DP=0~0.5' 인 것을 특징으로 한다.Also preferably, the interleaved phase shift control (D P ) is characterized by 'D P =0~0.5'.

또한 바람직하게는, 주회로의 순방향 동작은, 위상제어(DP, PM)에 따른 6가지 동작모드를 갖되, 순방향 동작시, 스위칭동작주파수(fs)는 공진주파수(fr) 또는 공진주파수(fr)보다 조금 낮거나 높은 주파수영역에서 스위칭 동작하고 있고, 2차측 브리지스위칭소자(S1,S2,S3,S4)는 동기정류기로도 적용할 수 있지만 턴-오프(Turn-off)되어 있어 역병렬다이오드를 통해 정류 동작하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the forward operation of the main circuit has six operation modes according to phase control (D P , PM), and during the forward operation, the switching operation frequency (f s ) performs the switching operation in a frequency range that is slightly lower or higher than the resonant frequency (f r ) or the resonant frequency (f r ), and the secondary bridge switching elements (S 1 , S 2 , S 3 , S 4 ) can be applied as synchronous rectifiers, but are turned off and perform a rectification operation through an anti-parallel diode.

또한 바람직하게는, 주회로의 역방향 동작은, 가변스위칭주파수제어(FM)에 따라 4가지 동작모드를 갖되, 역방향 동작시, 스위칭동작주파수(fs)는 공진주파수(fr) 아래 불연속공진전류가 흐르는 주파수영역(fmin~fr)에서 스위칭 동작하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the reverse operation of the main circuit has four operation modes according to variable switching frequency control (FM), and, in the reverse operation, the switching operation frequency (f s ) is characterized by performing the switching operation in a frequency range (f min ~f r ) in which a discontinuous resonant current flows below the resonant frequency (f r ).

추가적으로, 본 발명의 제5 측면에 따르면, 상기 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터를 채용하는 전력변환장치가 제공된다.Additionally, according to the fifth aspect of the present invention, a power conversion device employing the secondary-side LLC resonant circuit applied interleaved converter is provided.

바람직하게는, 상기 전력변환장치는, 마이크로그리드시스템, 에너지저장시스템(ESS), 전기자동차 OBC(One Board Charger), 배터리 충·방전시스템, 연료전지 전력변환장치 중의 어느 하나의 장치에 사용되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the power conversion device is characterized in that it is used in any one of a microgrid system, an energy storage system (ESS), an electric vehicle OBC (One Board Charger), a battery charging/discharging system, and a fuel cell power conversion device.

본 발명에 따른 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터에 따르면, 전류불평형 저감 및 영전압스위칭을 위한 수단으로 기존 2개의 1차측 LLC 공진회로를 하나의 공진회로를 적용한 인터리브 2차측 LLC (S-LLC) 공진회로로 회로변경을 통해, 1차측 풀-브리지 또는 하프-브리지 컨버터가 병렬로 동작하며 인터리브 위상변위제어(DP) 동작한다고 할지라도, 1차측에 유도되는 개별 1차측 공진전류(IP1, IP2) 불평형이 최소화되도록 동작하고, 2개의 공진회로가 아닌 하나의 공진회로를 적용함으로써 부품요소를 최소화할 수 있다. 뿐만 아니라 과부하 및 단락부하에도 위상변이제어(DP)를 0(Out-Phase)로 저감하여 출력전압(Vo)을 0전압으로 감소시켜 과부하 또는 단락전류를 제한할 수 있는 주회로 발명이다.According to the interleaved converter applying the secondary-side LLC resonant circuit according to the present invention, by changing the circuit of the existing two primary-side LLC resonant circuits into an interleaved secondary-side LLC (S-LLC) resonant circuit applying a single resonant circuit as a means for reducing current imbalance and achieving zero voltage switching, even if the primary-side full-bridge or half-bridge converter operates in parallel and interleaved phase shift control (D P ) is operated, the individual primary-side resonant current (I P1 , I P2 ) imbalance induced in the primary side is minimized, and component elements can be minimized by applying a single resonant circuit instead of two resonant circuits. In addition, it is an invention of a main circuit capable of limiting overload or short-circuit current by reducing the phase shift control (D P ) to 0 (Out-Phase) for overload and short-circuit load and reducing the output voltage (V o ) to 0 voltage.

한편, 본 발명의 추가적인 특징 및 장점들은 이하의 설명을 통해 더욱 명확히 될 것이다.Meanwhile, additional features and advantages of the present invention will become more apparent through the following description.

도 1 내지 도 9는, 종래기술에 따른 주회로 및 이득특성과 동작파형들을 나타내며, 도 10 내지 도 18은, 본 발명에 따른 2차측 LLC 공진회로적용 인터리브 위상변이제어(DP) 컨버터들에 대한 주회로들 및 이득특성, 동작파형을 나타낸다.
도 1은, 1차측 LLC (P-LLC) DC-DC 컨버터.
도 2는, 도 1의 이득특성.
도 3은, 1차측 또는 2차측 노치필터 적용 LLC-LC DC-DC 컨버터.
도 4는, 노치필터적용 도 3 회로들의 이득특성.
도 5a 및 도 5b는, 하이브리드 정류기를 갖는 인터리브 위상변위제어(φ) LLC DC-DC 컨버터.
도 6은, 도 5a 및 도 5b의 이득특성.
도 7은, 인터리브 위상변위제어(φ) LLC DC-DC 컨버터.
도 8은, 인터리브 위상변위제어 양방향 컨버터.
도 9는, 도 7 및 도 8의 인터리브 위상변위제어 LLC DC-DC 컨버터 각부 동작파형.
도 10은, 본 발명의 제1 실시예에 관한 풀-브리지 인터리브 위상변위제어 2차측 LLC DC-DC 공진컨버터.
도 11은, 본 발명의 제2 실시예에 관한 하프-브리지 인터리브 위상변위제어 2차측 LLC DC-DC 공진컨버터.
도 12a 내지 도 12c는, 도 10의 인터리브 위상변위제어(DP, IM) 순방향 동작으로서,
도 12a는, 순방향동작 등가회로이고, 도 12b는, 순방향동작 이득특성이며, 도 12c는, 순방향동작 파형을 나타낸다.
도 13a 내지 도 13c는, 도 10의 가변스위칭주파수제어(FM) 역방향 동작으로서.
도 13a는, 역방향동작 등가회로이고, 도 13b는, 역방향동작 이득특성이며, 도 13c는, 역방향동작 파형을 나타낸다.
도 14a 내지 도 14f는 각각, 인터리브 위상변위제어(DP, IM) 순방향 동작시 동작모드.
도 15a 내지 도 15d 각각, 가변스위칭주파수제어(FM) 역방향 동작시 동작모드.
도 16은, 본 발명의 제3 실시예에 관한 보조인덕터(LA) 적용 인터리브 위상변위제어 2차측 LLC DC-DC 공진컨버터.
도 17a 및 도 17b는, 도 16의 공진이득특성.
도 18은, 단락부하시 인터리브 위상변위제어(DP, IM) 순방향 동작.
도 19는, 본 발명의 제1 실시예의 변형례에 관한 풀-브리지 인터리브 위상변위제어 2차측 LLC DC-DC 공진컨버터.
도 20a 및 도 20b는 각각, 도 14a 및 도 14f에 대응되는, 도 19 회로의 릴레이 접점(SAW) 오픈 상태에서 인터리브 위상변위제어(DP, IM) 순방향 동작시 동작모드.
도 20c 및 도 20d는 각각, 도 14a 및 도 14f에 대응되는, 도 19 회로의 릴레이 접점(SAW) 동작 상태에서 인터리브 위상변위제어(DP, IM) 순방향 동작시 동작모드.
도 21a 및 도 21b는 각각, 도 15a 및 도 15d에 대응되는, 도 19 회로의 릴레이 접점(SAW) 오픈 상태에서 가변스위칭주파수제어(FM) 역방향 동작시 동작모드.
도 21c 및 도 21d는 각각, 도 15a 및 도 15d에 대응되는, 도 19 회로의 릴레이 접점(SAW) 동작 상태에서 가변스위칭주파수제어(FM) 역방향 동작시 동작모드.
도 22는, 본 발명의 제2 실시예의 변형례에 관한 하프-브리지 인터리브 위상변위제어 2차측 LLC DC-DC 공진컨버터.
표 1은, PSIM 시뮬레이션에 적용된 양방향 2차측 LLC 공진 컨버터 주요 정격 및 파라메타.
FIGS. 1 to 9 illustrate main circuits, gain characteristics, and operating waveforms according to the prior art, and FIGS. 10 to 18 illustrate main circuits, gain characteristics, and operating waveforms for interleaved phase shift control (D P ) converters with a secondary LLC resonant circuit applied according to the present invention.
Figure 1 is a primary-side LLC (P-LLC) DC-DC converter.
Figure 2 shows the gain characteristics of Figure 1.
Figure 3 shows an LLC-LC DC-DC converter with a primary or secondary notch filter applied.
Fig. 4 shows the gain characteristics of the circuits of Fig. 3 with the notch filter applied.
Figures 5a and 5b illustrate an interleaved phase shift control (φ) LLC DC-DC converter with a hybrid rectifier.
Figure 6 shows the gain characteristics of Figures 5a and 5b.
Fig. 7 is an interleaved phase shift control (φ) LLC DC-DC converter.
Fig. 8 is an interleaved phase shift control bidirectional converter.
Fig. 9 is an operation waveform of each part of the interleaved phase shift control LLC DC-DC converter of Figs. 7 and 8.
Fig. 10 is a full-bridge interleaved phase shift controlled secondary LLC DC-DC resonant converter according to the first embodiment of the present invention.
Fig. 11 is a half-bridge interleaved phase shift controlled secondary LLC DC-DC resonant converter according to the second embodiment of the present invention.
Figures 12a to 12c are the forward operation of the interleaved phase shift control (D P , IM) of Figure 10.
Fig. 12a is a forward operation equivalent circuit, Fig. 12b is a forward operation gain characteristic, and Fig. 12c shows a forward operation waveform.
Figures 13a to 13c are reverse operation of the variable switching frequency control (FM) of Figure 10.
Fig. 13a is an equivalent circuit for reverse operation, Fig. 13b shows the gain characteristics for reverse operation, and Fig. 13c shows a waveform for reverse operation.
Figures 14a to 14f are operating modes during forward operation of interleaved phase shift control (D P , IM), respectively.
FIGS. 15a to 15d, respectively, are operation modes during reverse operation of variable switching frequency control (FM).
Fig. 16 is a secondary LLC DC-DC resonant converter with interleaved phase shift control using an auxiliary inductor (L A ) according to a third embodiment of the present invention.
Figures 17a and 17b show the resonance gain characteristics of Figure 16.
Fig. 18 shows the forward operation of the interleaved phase shift control (D P , IM) under short-circuit load.
Fig. 19 is a full-bridge interleaved phase shift controlled secondary LLC DC-DC resonant converter according to a modified example of the first embodiment of the present invention.
FIG. 20a and FIG. 20b are operation modes in the forward operation of the interleaved phase shift control (D P , IM) in the open state of the relay contact (S AW ) of the circuit of FIG. 19, corresponding to FIG. 14a and FIG. 14f, respectively.
FIG. 20c and FIG. 20d are the operation modes of the interleaved phase shift control (D P , IM) forward operation in the relay contact (S AW ) operation state of the circuit of FIG. 19, corresponding to FIG. 14a and FIG. 14f, respectively.
FIG. 21a and FIG. 21b are operation modes of the variable switching frequency control (FM) reverse operation in the open state of the relay contact (S AW ) of the circuit of FIG. 19, corresponding to FIG. 15a and FIG. 15d, respectively.
FIG. 21c and FIG. 21d are operation modes of the variable switching frequency control (FM) reverse operation in the relay contact (S AW ) operation state of the circuit of FIG. 19, corresponding to FIG. 15a and FIG. 15d, respectively.
Fig. 22 is a half-bridge interleaved phase shift controlled secondary LLC DC-DC resonant converter according to a modified example of the second embodiment of the present invention.
Table 1 shows the main ratings and parameters of the bidirectional secondary LLC resonant converter applied in the PSIM simulation.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. A preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the attached drawings.

하지만, 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정하여 해석되어서는 안 되며, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진자에게 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.However, the embodiments of the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described in detail below, but are provided to more completely explain to those skilled in the art.

또한, 본 명세서에서, 후술하는 실시예 및 실시 형태들은 예시로서 제한적이지 않은 것으로 고려되어야 하며, 본 발명은 여기에 주어진 상세로 제한되는 것이 아니라 첨부된 청구항의 범위 및 동등물 내에서 치환 및 균등한 다른 실시예로 변경될 수 있다.Furthermore, in this specification, the examples and embodiments described below should be considered as illustrative and not restrictive, and the present invention is not limited to the details given herein, but may be modified into substituted and equivalent other embodiments within the scope and equivalents of the appended claims.

본 발명에서는, (기존 절연형 DC-DC 컨버터 중 도 5a, 도 5b에 나타낸 1차측 두개의 풀-브리지 컨버터가 병렬로 동작하며 위상변이제어하고 2차측은 하이브리드 정류방식을 적용함으로서 넓은 출력전압제어범위를 가지고 동작하는) 제3 종래기술의 하이브리드 인터리브(Interleaved) LLC 공진컨버터 방식을 개선하였는바, 상기 제3 종래기술의 경우에는, 인터리브 위상제어(φ)가 최소(0)가 되더라도 하이브리드 정류방식이라서 최대 출력전압(Vo)의 1/2로 저감될 뿐, 출력전압(Vo)이 0으로 되지 않아서 과부하 및 단락부하시 낮은 전압으로 줄어들지 않아서 과부하전류가 흘러 대응이 어려운 점이 있었다. In the present invention, the hybrid interleaved LLC resonant converter method of the third conventional technique (wherein two full-bridge converters on the primary side, as shown in FIGS. 5a and 5b, among the conventional insulated DC-DC converters operate in parallel and perform phase shift control and the secondary side applies a hybrid rectification method to operate with a wide output voltage control range) is improved. In the case of the third conventional technique, even if the interleaved phase control (φ) becomes a minimum (0), since it is a hybrid rectification method, it is only reduced to half of the maximum output voltage (V o ), and the output voltage (V o ) does not become 0, so it does not reduce to a low voltage in the event of an overload or short-circuit load, so there was a problem that the overload current flowed and it was difficult to respond.

또한, 본 발명에서는, 도 7과 도 8에 나타낸 브리지정류방식의 제3, 제4 종래기술의 방식도 개선하였는바, 상기 제3, 제4 종래기술의 경우 인터리브 위상제어(φ)가 최소(0, Out-Phase)가 될 경우 출력이득제어범위가 (Gv=1~2)로 0까지 저감할 수 있어 넓은 출력전압제어범위로 동작할 수 있기는 하지만, 인터리브 위상변위제어(φ)가 최소로 제어될 경우 출력전압(Vo)이 너무 낮아져 변압기 1차측으로 유도되는 전압이 작아 영전압스위칭(ZVS)을 위해 필요로 하는 변압기 1차측 자화전류(ILr1=IP1=Im1, ILr2=IP2=Im1')가 흐르지 않아 1차측 병렬 연결된 풀-브리지 LLC 공진컨버터들의 스위칭소자들이 하드스위칭하는 문제가 발생하였다. 더욱이, 1차측 개별 LLC 공진회로의 이득특성차이에 따라 비록 변압기 2차측이 직렬 연결되었다 하더라도 공진전류불평형(ILr1=IP1, ILr2=IP2)이 발생함으로 공진전류가 많이 흐르는 1차측 풀-브리지 LLC 공진컨버터 단자전압(VP1, VP2)보다 앞선 공진전류(IP, IP2)가 흘러 하드스위칭에 의한 효율저감 등 동작특성상 제한요소가 있었다. In addition, in the present invention, the third and fourth conventional techniques of the bridge rectification method shown in FIGS. 7 and 8 are also improved. In the case of the third and fourth conventional techniques, when the interleaved phase control (φ) is minimum (0, Out-Phase), the output gain control range can be reduced from (G v = 1 to 2) to 0, so that operation can be performed in a wide output voltage control range. However, when the interleaved phase shift control (φ) is controlled to a minimum, the output voltage (V o ) becomes too low, so that the voltage induced to the primary side of the transformer is small, and thus the magnetizing current on the primary side of the transformer (I Lr1 = I P1 = I m1 , I Lr2 = I P2 = I m1 ') required for zero voltage switching (ZVS) does not flow, so that a problem occurs in which the switching elements of the full-bridge LLC resonant converters connected in parallel on the primary side are hard-switched. Furthermore, even though the secondary sides of the transformer are connected in series, resonant current imbalance (I Lr1 = I P1 , I Lr2 = I P2 ) occurs due to differences in the gain characteristics of the individual LLC resonant circuits on the primary side, so the resonant current (I P , I P2 ) flows ahead of the terminal voltage (V P1 , V P2 ) of the primary full-bridge LLC resonant converter where a lot of resonant current flows, and there are limitations in the operating characteristics such as reduced efficiency due to hard switching.

따라서, 공진전류(ILr1=IP1, ILr2=IP2) 불평형 저감 및 영전압스위칭을 위한 수단으로 도 5와 도 7, 도 8에 나타낸 기존 2개의 1차측 LLC 공진회로 적용 대신에, 본 발명에서는, 도 10과 도 11에 나타낸 바와 같이, 하나의 공진회로를 적용한 2차측 LLC 공진회로로 회로변경을 통해, 1차측 풀-브리지 또는 하프-브리지 컨버터가 병렬로 동작하며 인터리브 위상변위제어(=DP) 동작한다고 할지라도 1차측에 유도되는 공진전류(IP1, IP2) 불평형이 최소화되도록 동작하고, 2개의 공진회로가 아닌 하나의 공진회로를 적용함으로써 부품요소를 저감할 수 있다. 뿐만 아니라 과부하 및 단락부하에도 인터리브 위상변위(=DP)를 0로(Out-phase)제어함을 통해 0전압으로 감소시켜 과부하 또는 단락전류를 제한할 수 있는 주회로 발명이다.Therefore, instead of applying the existing two primary-side LLC resonant circuits as shown in FIGS. 5, 7, and 8 as a means for reducing the imbalance of the resonant current (I Lr1 = I P1 , I Lr2 = I P2 ) and for zero-voltage switching, in the present invention, as shown in FIGS. 10 and 11, the circuit is changed to a secondary-side LLC resonant circuit applying one resonant circuit, so that even if the primary-side full-bridge or half-bridge converter operates in parallel and interleaved phase shift control (= D P ), the resonant current (I P1 , I P2 ) imbalance induced in the primary side is minimized, and component elements can be reduced by applying one resonant circuit instead of two resonant circuits. In addition, it is an invention of a main circuit capable of limiting overload or short-circuit current by reducing the voltage to 0 by controlling the interleaved phase displacement (=D P ) to 0 (Out-phase) even in overload and short-circuit load.

(제1, 제2 실시예)(Examples 1 and 2)

이하, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 관한 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브제어 단방향 및 양방향 공진컨버터를, 도 10 내지 도 15 및 도 18을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the interleaved control unidirectional and bidirectional resonant converters applied with the secondary LLC resonant circuit according to the first and second embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 10 to 15 and FIG. 18.

도 10은, 본 발명의 제1 실시예에 관한 풀-브리지 인터리브 위상변위제어 2차측 LLC DC-DC 공진컨버터이고, 도 11은, 본 발명의 제2 실시예에 관한 하프-브리지 인터리브 위상변위제어 2차측 LLC DC-DC 공진컨버터이며, 도 12a 내지 도 12c는, 도 10의 인터리브 위상변위제어(DP, IM) 순방향 동작으로서, 도 12a는, 순방향동작 등가회로이고, 도 12b는, 순방향동작 이득특성이며, 도 12c는, 순방향동작 파형을 나타낸다. 도 13a 내지 도 13c는, 도 10의 가변스위칭주파수제어(FM) 역방향 동작으로서. 도 13a는, 역방향동작 등가회로이고, 도 13b는, 역방향동작 이득특성이며, 도 13c는, 역방향동작 파형을 나타낸다.FIG. 10 is a full-bridge interleaved phase shift control secondary-side LLC DC-DC resonant converter according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a half-bridge interleaved phase shift control secondary-side LLC DC-DC resonant converter according to the second embodiment of the present invention, and FIGS. 12a to 12c are diagrams showing the interleaved phase shift control (D P , IM) forward operation of FIG. 10, wherein FIG. 12a is a forward operation equivalent circuit, FIG. 12b is a forward operation gain characteristic, and FIG. 12c shows a forward operation waveform. FIGS. 13a to 13c are diagrams showing the variable switching frequency control (FM) reverse operation of FIG. 10. Fig. 13a is an equivalent circuit for reverse operation, Fig. 13b shows the gain characteristics for reverse operation, and Fig. 13c shows a waveform for reverse operation.

도 14a 내지 도 14f는 각각, 인터리브 위상변위제어(DP, IM) 순방향 동작시 동작모드이고, 도 15a 내지 도 15d 각각, 가변스위칭주파수제어(FM) 역방향 동작시 동작모드이며, 도 18은, 단락부하시 인터리브 위상변위제어(DP, IM) 순방향 동작이다.FIGS. 14a to 14f are operation modes during forward operation of interleaved phase shift control (D P , IM), respectively, FIGS. 15a to 15d are operation modes during reverse operation of variable switching frequency control (FM), respectively, and FIG. 18 is forward operation of interleaved phase shift control (D P , IM) under short-circuit load.

본 발명에서는, 도 5와 도 7, 도 8에 나타낸 1차측 개별 LLC 공진회로에서 발생될 수 있는 공진전류(IP1, IP2) 불평형저감 및 영전압스위칭을 개선하기 위한 수단으로, 도 10 및 도 11에서와 같이, 1차측 스위칭소자(Q1-Q2/Q3-Q4, Q1'-Q2'/Q3'-Q4')들로 구성된 인터리브 위상변위제어(DP, PM)를 위한 1차측 풀-브리지(도 10의 FB1, FB2) (또는, 도 11의 하프-브리지) 단자에 각각 공진회로를 적용하는 것 대신에, DC 바이어스를 막아주기 위해 개별 1차측 풀-브리지 단자(a-b, c-d) 중 하나와 변압기 1차측누설인덕턴스(Ll1, Ll1')와 자화인덕턴스(Lm1, Lm1')로 구성된 변압기(T1, T2) 1차측 단자 중 하나 사이에 직렬 연결되는 DC 블록킹커패시터(CB1, CB2)가 연결되어 있고, 풀-브리지 1차측 단자(a-b, c-d) 중 타단과 변압기(T1, T2) 1차측 단자 중 타단이 연결되어 있다. 또한 변압기 2차측 누설인덕턴스(Ll2, Ll2')를 포함한 변압기(T1, T2) 2차측 권선은 직렬 연결되어 있고, 직렬 연결된 단자 중 하나와 스위칭소자(S1-S2, S3-S4)로 구성된 2차측브리지정류다이오드부 단자(e-f) 중 하나와 직렬 연결된 2차측공진커패시터(Cs)가 결선되어 2차측 LLC 공진회로로 구성된 인터리브 위상변위제어 2차측(Secondary-side) LLC 공진컨버터 및 2차측 LLC 양방향 공진컨버터들에 대한 제안 발명이다. (여기서 변압기(T1, T2) 1, 2차측 누설인덕턴스 대신에 별도의 공진인덕터(LrP1, LrP2 또는 LrS)를 적용할 수 있다.)In the present invention, as a means for reducing the imbalance of resonant current (I P1 , I P2 ) that may occur in the primary-side individual LLC resonant circuits shown in FIGS. 5, 7 , and 8 and improving zero-voltage switching, instead of applying a resonant circuit to each terminal of a primary-side full-bridge ( FB1 , FB2 of FIG. 10 ) (or a half-bridge of FIG. 11) for interleaved phase shift control (D P , PM) composed of primary-side switching elements (Q 1 -Q 2 /Q 3 -Q 4 , Q 1 '-Q 2 '/Q 3 '-Q 4 ') as shown in FIGS. 10 and 11, one of the individual primary-side full-bridge terminals (ab, cd) and the transformer primary leakage inductance (L l1 , L l1 ') are connected to block the DC bias. A DC blocking capacitor (C B1 , C B2 ) is connected in series between one of the primary terminals of a transformer (T 1 , T 2 ) consisting of a magnetizing inductance (L m1 , L m1 '), and the other of the primary terminals (ab, cd) of the full-bridge is connected to the other of the primary terminals of the transformer (T 1 , T 2 ). Also, the secondary windings of the transformers (T 1 , T 2 ) including the secondary leakage inductance (L l2 , L l2 ') of the transformers are connected in series, and one of the terminals connected in series and one of the terminals (ef) of the secondary bridge rectifier diode section consisting of switching elements (S 1 -S 2 , S 3 -S 4 ) is connected in series with a secondary resonant capacitor (C s ) to form a secondary LLC resonant circuit, and the interleaved phase shift control secondary-side LLC resonant converters and secondary-side LLC bidirectional resonant converters are proposed. (Here, instead of the primary and secondary leakage inductances of the transformers (T 1 , T 2 ), a separate resonant inductor (L rP1 , L rP2 or L rS ) can be applied.)

제안된 인터리브 위상변위제어 2차측 LLC 공진회로를 도 12a와 도 12b의 이득특성과 도 12c 동작파형에 나타낸 바와 같이, 순방향 동작시는 공진주파수(fr) 부근 일정스위칭주파수(fs)에서 개별 1차측 풀-브리지 회로 간 인터리브 위상변위제어(DP : 0~0.5, Phase-shifted Modulation, PM)를 통해서 0전압에서 이득제어범위(Gv=0~2)까지 출력전압(Vo)을 제어하며 전력전달할 수 있고, 도 13a와 도 13b의 이득특성과 도 13c 동작파형에 나타낸 역방향동작의 경우는 변압기(T1, T2) 자화인덕턴스(Lm1, Lm1')와 1, 2차측 누설인덕턴스(Ll1, Ll1', Ll2, Ll2') 및 2차측 공진커패시터(Cs)와의 LLC 공진이득특성을 이용하여 가변주파수제어(FM, Frequency Modulation)를 통해 출력(Vo)단 에너지를 입력단(Vin)으로 전력전달할 수 있는 주회로 발명이다. 특히 양방향 모두 공진이득특성을 갖는 이유는 순방향 동작시는 변압기(T1, T2) 1, 2차측 누설인덕턴스(Ll1, Ll1', Ll2, Ll2')와 2차측공진커패시터(Cs)와의 공진을 이용하여 인터리브 위상변위제어(DP, PM)를 통해 순방향 전력전달하고, 역방향 동작시는 변압기(T1, T2)의 자화인덕턴스(Lm1, Lm1')와 누설인덕턴스(Ll1, Ll1', Ll2, Ll2')로 구성된 등가누설인덕턴스 및 2차측공진커패시터(Cs)와 LLC공진이득특성에 따른 가변스위칭주파수제어(FM)를 통해 역방향전력전달 동작된다.As shown in the gain characteristics of Figs. 12a and 12b and the operating waveform of Fig. 12c, the proposed interleaved phase shift controlled secondary LLC resonant circuit can control the output voltage (V o ) from 0 voltage to the gain control range (G v = 0 to 2) and transmit power through the interleaved phase shift control (D P : 0 to 0.5, Phase-shifted Modulation, PM) between individual primary full-bridge circuits at a constant switching frequency (f s ) near the resonant frequency (f r ) in the forward operation, and in the case of the reverse operation shown in the gain characteristics of Figs. 13a and 13b and the operating waveform of Fig. 13c, the magnetizing inductance (L m1 , L m1 ') of the transformer (T 1 , T 2 ) and the leakage inductance (L l1 , L l1 ', The invention relates to a main circuit capable of transferring energy from the output (V o ) terminal to the input terminal (V in ) terminal through variable frequency control (FM, Frequency Modulation) by utilizing LLC resonant gain characteristics with a secondary resonant capacitor (C s ) and a secondary resonant capacitor (L l2 , L l2 '). In particular, the reason why both directions have resonant gain characteristics is that when operating in the forward direction, the primary and secondary leakage inductances of the transformer (T 1 , T 2 ) The forward power is transmitted through interleaved phase shift control (D P , PM) by utilizing the resonance between the secondary resonant capacitor (C s ) and the secondary resonant capacitor (L l2 , L l2 '), and when operating in the reverse direction , the magnetizing inductance (L m1 , L m1 ' ) and leakage inductance (L l1 , L l1 ', The reverse power transfer operation is performed through variable switching frequency control (FM) according to the LLC resonance gain characteristics and the equivalent leakage inductance (L l2 , L l2 ') and the secondary resonance capacitor (C s ).

도 10과 도 12a의 순방향 동작이득수식은 다음 [수학식1]과 같다.The forward motion gain formula of Fig. 10 and Fig. 12a is as follows [Mathematical Formula 1].

Figure 112023058385941-pat00001
Figure 112023058385941-pat00001

여기서,

Figure 112023058385941-pat00002
이고, Here,
Figure 112023058385941-pat00002
And,

위상제어(DP)의 변화에 따른 이득수식은 다음과 같다.The gain formula according to the change in phase control (D P ) is as follows.

Figure 112023058385941-pat00003
Figure 112023058385941-pat00003

여기서,

Figure 112023058385941-pat00004
,
Figure 112023058385941-pat00005
,
Figure 112023058385941-pat00006
,
Figure 112023058385941-pat00007
Here,
Figure 112023058385941-pat00004
,
Figure 112023058385941-pat00005
,
Figure 112023058385941-pat00006
,
Figure 112023058385941-pat00007

도 10과 도 13a의 역방향 동작이득수식은 다음 [수학식2]와 같다.The reverse operation gain formula of Fig. 10 and Fig. 13a is as follows [Mathematical Formula 2].

Figure 112023058385941-pat00008
Figure 112023058385941-pat00008

여기서, Here,

Figure 112023058385941-pat00009
,
Figure 112023058385941-pat00010
,
Figure 112023058385941-pat00011
,
Figure 112023058385941-pat00012
,
Figure 112023058385941-pat00013
Figure 112023058385941-pat00009
,
Figure 112023058385941-pat00010
,
Figure 112023058385941-pat00011
,
Figure 112023058385941-pat00012
,
Figure 112023058385941-pat00013

여기서, 도 10과 도 11에서 DC 블록킹커패시터(Blocking Capacitor: CB1, CB2)가 풀-브리지 1차측 단자(a-b, c-d) 중 하나와 변압기 1차측 권선단자 중 단자 사이에 삽입되어 순방향동작시 인터리브 위상변위제어(DP, PM)에 따른 각 1차측 변압기(T1, T2) 권선에 흐르는 DC 바이어스(Bias) 전류를 막아준다. 또한 가변스위칭주파수(FM) 제어되는 역방향 동작시 공진주파수 이상에서의 이득저감 특성의 이점을 갖고 있다.Here, in FIGS. 10 and 11, a DC blocking capacitor (C B1 , C B2 ) is inserted between one of the full-bridge primary terminals (ab, cd) and one of the transformer primary winding terminals to block the DC bias current flowing in each of the primary transformer (T 1 , T 2 ) windings according to the interleaved phase shift control (D P , PM) during forward operation. In addition, it has the advantage of a gain reduction characteristic above the resonant frequency during reverse operation under variable switching frequency (FM) control.

따라서 공진전류(IP1, IP2) 불평형저감 및 영전압스위칭을 위한 수단으로 기존 2개의 1차측 LLC 공진회로를 도 10과 도 11에 나타낸 바와 같이 2차측(Secondary side) LLC 공진회로로 회로변경을 통해 1차측 풀-브리지 또는 하프-브리지 컨버터가 병렬로 인터리브 위상변위제어(DP, PM) 동작한다고 할지라도 1차측에 유도되는 공진전류(IP1, IP2) 불평형을 최소화 될 수 있고, 2개의 공진회로가 아닌 하나의 LLC 공진회로를 적용함으로써 부품요소를 최소화할 수 있다. 뿐만 아니라 과부하 및 단락부하에도 인터리브 위상변위제어(DP, PM)를 통해 0전압으로 감소시켜 과부하 또는 단락전류를 제한할 수 있는 주회로 발명이다. Therefore, as shown in Figs. 10 and 11, by changing the circuit of the existing two primary-side LLC resonant circuits into secondary-side LLC resonant circuits as a means for reducing the imbalance of resonant currents (I P1 , I P2 ) and for zero-voltage switching, even if the primary-side full-bridge or half-bridge converters operate in parallel with interleaved phase shift control (D P , PM), the imbalance of resonant currents (I P1 , I P2 ) induced in the primary side can be minimized, and component elements can be minimized by applying one LLC resonant circuit instead of two resonant circuits. In addition, the invention is a main circuit capable of limiting the overload or short-circuit current by reducing it to 0 voltage through the interleaved phase shift control (D P , PM) even under overload and short-circuit.

도 12의 순방향 동작시 인터리브 위상변이제어(DP, PM) 및 도 13의 역방향 동작시 가변스위칭주파수제어(fs, FM)를 통해 양방향 전력전달 구현할 수 있는 인터리브제어 2차측 LLC 양방향 공진컨버터 주회로를 토대로 설명하고자 한다.This is to explain based on the main circuit of the interleaved control secondary LLC bidirectional resonant converter capable of implementing bidirectional power transfer through interleaved phase shift control (D P , PM) in forward operation of Fig. 12 and variable switching frequency control (f s , FM) in reverse operation of Fig. 13.

도 10에서의 주회로의 순방향 동작은, 도 12와 도 14에 나타낸 바와 같이 위상제어(DP, PM)에 따른 6가지 동작모드로 설명하고자 한다. 이때 스위칭동작주파수(fs)는 공진주파수(fr) 또는 공진주파수(fr)보다 조금 높은 주파수영역에서 스위칭 동작하고 있고, 또한 2차측 브리지스위칭소자(S1,S2,S3,S4)는 턴-오프(Turn-off)되어 있어 역병렬다이오드를 통해 정류 동작한다고 가정한다.The forward operation of the main circuit in Fig. 10 will be explained in terms of six operation modes according to phase control (D P , PM), as shown in Figs. 12 and 14. At this time, it is assumed that the switching operation frequency (f s ) performs the switching operation in a frequency range that is slightly higher than the resonant frequency (f r ) , and that the secondary bridge switching elements (S 1 , S 2 , S 3 , S 4 ) are turned off to perform a rectifying operation through the anti-parallel diode.

Mode 1 (t 1 ~t 2 ) : t1~t2 구간 1차측 병렬 연결된 풀-브리지 스위칭소자(Q1-Q2/Q3-Q4, Q1'-Q2'/Q3'-Q4')들의 인터리브 위상변위제어(DP, PM)에 따라 순방향 전력전달하는 구간으로 Q1과 Q4 및 Q1'과 Q4'가 턴-온 되어 있어 1차측 풀-브리지 단자(a-b, c-d)에 각각 입력전압(Vin)이 인가되며 변압기(T1, T2) 1차측 공진전류(IP1, IP2)가 흐르기 시작하고, 직렬 연결된 변압기(T1, T2) 2차측 권선들의 합 전압이 인가되어 2차측 브리지스위칭소자(S1, S4)의 역병렬다이오드를 통해 2차측 공진전류(IS)가 정류되며 출력부하에 전력 전달하는 구간이다. 이때 2차측 브리지스위칭정류소자(S1-S2, S3-S4)는 턴-오프 되어 있어 단지 정류브리지다이오드 역할을 하며 정류 동작된다. Mode 1 (t 1 ~t 2 ) : This is a section in which forward power is transferred according to the interleaved phase shift control (D P , PM) of the full-bridge switching elements (Q 1 -Q 2 /Q 3 -Q 4 , Q 1 '-Q 2 '/Q 3 '-Q 4 ') connected in parallel on the primary side during the section t 1 ~t 2 . Since Q 1 and Q 4 and Q 1 ' and Q 4 ' are turned on, input voltage (V in ) is applied to each of the primary full-bridge terminals (ab, cd), and the primary resonance current (I P1 , I P2 ) of the transformer (T 1 , T 2 ) starts to flow, and the sum voltage of the secondary windings of the series-connected transformer (T 1 , T 2 ) is applied to the secondary bridge switching elements (S 1 , S 4 ). This is the section where the secondary resonant current (I S ) is rectified through the anti-parallel diode and power is transmitted to the output load. At this time, the secondary bridge switching rectifier elements (S 1 -S 2 , S 3 -S 4 ) are turned off, so they only act as rectifying bridge diodes and perform rectification operation.

Mode 2 (t 2 ~t 3 ) : t2시점에서 인터리브 위상변위제어(DP, PM)에 따라 Q1과 Q4는 계속 턴-온 되어 있고, Q1'과 Q4'가 턴-오프 되면, 1차측 풀-브리지 단자피크전류(IP2)에 의해 스위칭소자 Q1' 및 Q4'의 기생출력커패시턴스(COSS)는 충전하기 시작하여 입력전압(Vin)으로 충전된다. 이와 동시에 Q2' 및 Q3'의 기생출력커패시턴스(COSS)의 전압이 0으로 감소하고 이후 Q2' 및 Q3'의 역병렬다이오드를 통해 전류가 흐르기 시작하면 이 모드는 끝난다. 이때 데드타임인 t2~t3 구간에서는 아랫단 1차측 풀-브리지 스위칭소자(Q1', Q2', Q3', Q4')들은 단자피크전류(IP2)에 의해 모든 입출력전압 및 부하조건에서 용이하게 영전압스위칭(ZVS) 동작이 이루어 질 수 있다. Mode 2 (t 2 ~t 3 ) : At time t 2 , Q 1 and Q 4 are continuously turned on according to the interleaved phase shift control (D P , PM), and when Q 1 ' and Q 4 ' are turned off, the parasitic output capacitances (C OSS ) of the switching elements Q 1 ' and Q 4 ' begin to charge due to the primary full-bridge terminal peak current (I P2 ) and are charged to the input voltage (V in ). At the same time, the voltage of the parasitic output capacitances (C OSS ) of Q 2 ' and Q 3 ' decreases to 0, and this mode ends when current starts to flow through the anti-parallel diodes of Q 2 ' and Q 3 '. At this time, during the dead time section t 2 to t 3 , the lower stage primary side full-bridge switching elements (Q 1 ', Q 2 ', Q 3 ', Q 4 ') can easily perform zero voltage switching (ZVS) operation under all input/output voltage and load conditions by the terminal peak current (I P2 ).

Mode 3 (t 3 ~t 4 ) : t3시점 이전에 Q2' 및 Q3'는 영전압스위칭 조건에서 턴-온 되고, 1차측 풀-브리지 단자(c-d)에는 부(Negative)의 입력전압(-Vin)이 1차측 풀-브리지 단자(c-d) 및 공진회로에 인가된다. 따라서 변압기(T2) 1차측 및 2차측 전압극성이 바뀌어 지고, 직렬 연결된 변압기(T1, T2) 2차측 권선들의 합 전압은 0이 된다. 하지만 흐르고 있던 2차측 공진전류(IS)가 2차측 브리지스위칭소자(S1, S4)의 역병렬다이오드를 통해 계속 흐르며 출력전압(Vo)에 의해 리셋 되는 구간이다. Mode 3 (t 3 ~t 4 ) : Before time t 3 , Q 2 ' and Q 3 ' are turned on under zero voltage switching condition, and negative input voltage (-V in ) is applied to the primary full bridge terminal (cd) and the resonant circuit. Therefore, the voltage polarities of the primary and secondary sides of the transformer (T 2 ) are reversed, and the sum voltage of the secondary windings of the series-connected transformers (T 1 , T 2 ) becomes 0. However, this is the section where the secondary resonant current (I S ) that was flowing continues to flow through the anti-parallel diode of the secondary bridge switching elements (S 1 , S 4 ) and is reset by the output voltage (V o ).

Mode 4 (t 4 ~t 5 ) : t4시점에 직렬 연결된 변압기(T1, T2) 2차측 권선들의 합 전압이 0이기 때문에 출력전압(Vo)의 역바이어스에 의해 변압기 2차측 권선을 통해 흐르고 있던 공진전류(IS)가 0로 저감되고, 개별 1차측 풀-브리지 단 공진전류(IP1=Im1, IP2=Im1')는 단지 변압기(T1, T2) 1차측 자화인덕턴스(Lm1, Lm1')를 통해 흐른다, Mode 4 (t 4 ~t 5 ) : Since the sum of the secondary windings of the series-connected transformers (T 1 , T 2 ) at time t 4 is 0, the resonant current (I S ) flowing through the secondary windings of the transformers is reduced to 0 by the reverse bias of the output voltage (V o ), and the individual primary full-bridge stage resonant current (I P1 =I m1 , I P2 =I m1 ') flows only through the primary magnetizing inductance (L m1 , L m1 ') of the transformers (T 1 , T 2 ).

Mode 5 (t 5 ~t 6 ) : t5시점에서 Q1과 Q4는 턴-오프 되고, 변압기(T1) 1차측 자화인덕턴스(Lm1)를 통해 흐르는 자화전류인 공진전류(IP1=Im1)에 의해 스위칭소자 Q1 및 Q4의 기생출력커패시턴스(COSS)는 충전을 개시하기 시작하여 입력전압(Vin)으로 충전된다. 이와 동시에 Q2 및 Q3의 기생출력커패시턴스(COSS) 전압은 0으로 감소하고 이후 Q2및 Q3의 역병렬다이오드를 통해 전류가 흐르기 시작할 때 Q2 및 Q3이 턴-온 되면 영전압스위칭(ZVS) 동작된다. 따라서 t5~t6 데드타임 구간 1차측 풀-브리지 단 변압기(T1) 1차측 공진자화전류(IP1=Im1)에 의해 영전압스위칭(ZVS) 동작이 이루어지기 때문에 이를 위한 변압기(T1, T2) 자화인덕턴스(Lm1, Lm1') 최적설계 및 적용이 필요하다. Mode 5 (t 5 ~t 6 ) : At time t 5 , Q 1 and Q 4 are turned off, and the parasitic output capacitances (C OSS ) of switching elements Q 1 and Q 4 begin to charge due to the resonant current (I P1 = I m1 ), which is the magnetizing current flowing through the primary magnetizing inductance (L m1 ) of the transformer (T 1 ), and are charged to the input voltage (V in ). At the same time, the parasitic output capacitance (C OSS ) voltages of Q 2 and Q 3 decrease to 0, and when current begins to flow through the anti-parallel diodes of Q 2 and Q 3 , when Q 2 and Q 3 are turned on, zero voltage switching (ZVS) operation occurs. Therefore, since zero voltage switching (ZVS) operation is performed by the primary resonant magnetizing current (I P1 =I m1 ) of the primary full-bridge stage transformer (T 1 ) during the dead time section of t 5 to t 6 , optimal design and application of the magnetizing inductance (L m1 , L m1 ') of the transformers (T 1 , T 2 ) for this purpose is required.

Mode 6 (t 6 ~t 7 ) : t6~t7 구간 1차측 풀-브리지스위칭소자(Q1-Q2/Q3-Q4, Q1'-Q2'/Q3'-Q4')의 인터리브 위상변위제어(DP, PM)에 따라 Q2와 Q3 및 Q2'-Q3'이 턴-온 되어 있어 1차측 풀-브리지 단자(a-b, c-d)에 연결된 공진회로에는 각각 부(Negative)의 입력전압(-Vin)이 인가되며 변압기(T1, T2) 1차측 공진전류(IP1, IP2)가 흐르기 시작하고, 직렬 연결된 변압기(T1, T2) 2차측 권선들의 부(Negative)의 합 전압이 인가되어 2차측 브리지스위칭정류소자(S2, S3)의 역병렬다이오드를 통해 2차측 공진전류(IS)가 정류되며 출력부하에 전력 전달하는 구간이다. 이때 2차측 브리지스위칭정류소자(S1-S2, S3-S4)는 턴-오프 되어 있어 단지 정류브리지다이오드 역할을 하며 정류 동작된다. Mode 6 (t 6 ~t 7 ) : In the section t 6 ~t 7 , Q 2 and Q 3 and Q 2 '-Q 3 ' are turned on according to the interleaved phase shift control (D P , PM) of the primary full-bridge switching elements (Q 1 -Q 2 /Q 3 -Q 4 , Q 1 '-Q 2 '/Q 3 '-Q 4 ') , so that a negative input voltage (-V in ) is applied to each of the resonant circuits connected to the primary full-bridge terminals (ab, cd), and the primary resonant current (I P1 , I P2 ) of the transformer (T 1 , T 2 ) starts to flow, and the negative sum voltage of the secondary windings of the series-connected transformer (T 1 , T 2 ) is applied to the secondary bridge switching rectifier (S This is the section where the secondary resonant current (I S ) is rectified through the anti-parallel diodes of S 2 , S 3 ) and power is transmitted to the output load. At this time, the secondary bridge switching rectifier elements (S 1 -S 2 , S 3 -S 4 ) are turned off, so they only act as rectifying bridge diodes and perform rectification operation.

이후 반주기 동작은 유사 반복동작이므로 기술은 생략한다.The subsequent semi-cycle movements are similar repetitive movements, so their description is omitted.

한편, 도 10 주회로의 역방향 동작은, 변압기(T1, T2)의 자화인덕턴스(Lm1, Lm1')와 누설인덕턴스(Ll1, Ll1', Ll2, Ll2')로 구성된 등가누설인덕턴스 및 2차측공진커패시터(Cs)와의 LLC공진이득특성에 따른 가변스위칭주파수제어(FM)를 통해 역방향전력전달 동작된다. 이때 개별 1차측 풀-브리지 스위칭소자(Q1,Q2,Q3,Q4 및 Q1',Q2',Q3',Q4')들은 턴-오프 되어 있고, 스위칭소자들의 역병렬다이오드를 정류다이오드로 적용하고 있다. Meanwhile, the reverse operation of the circuit of Fig. 10 is The reverse power transfer operation is performed through variable switching frequency control (FM) according to the LLC resonance gain characteristics with the equivalent leakage inductance composed of the magnetizing inductance (L m1 , L m1 ') and leakage inductance (L l1 , L l1 ' , L l2 , L l2 ') of the transformer (T 1 , T 2 ) and the secondary resonant capacitor (C s ). At this time, the individual primary full-bridge switching elements (Q 1 , Q 2 , Q 3 , Q 4 and Q 1 ', Q 2 ', Q 3 ', Q 4 ') are turned off, and the antiparallel diodes of the switching elements are applied as rectifier diodes.

도 13과 15에 나타낸 바와 같이, 역방향 동작은, 가변스위칭주파수제어(FM, fmax∼fmin) 한다. 이때 스위칭동작주파수(fs)는 공진주파수(fr) 아래 불연속공진전류가 흐르는 주파수영역(fmin∼fr)에서 스위칭 동작하고 있다고 가정하고, 4가지 동작모드로 설명하고자 한다.In Figs. 13 and 15 As shown, the reverse operation is controlled by variable switching frequency (FM, fmax∼fmin). At this time, it is assumed that the switching operation frequency (fs) is switching in the frequency range (fmin∼fr) where the discontinuous resonant current flows below the resonant frequency (fr), and the four operation modes are explained.

Mode 1 (t 1 ~t 2 ) : t1~t2 구간 2차측 주스위칭소자 S1과 S4가 턴-온 되어있어 직렬 연결된 변압기(T1, T2) 자화인덕턴스(Lm2, Lm2'와 누설인덕턴스(Ll1/Ll1', Ll2/Ll2')로 구성된 등가누설인덕턴스(Leq)와 2차측공진커패시터(Cs)로 구성된 LLC 공진회로 단자(e-f)에 출력전압(Vo)이 인가되며 2차측 공진전류(IS)가 흐르고 있고, 개별 1차측 풀-브리지 스위칭소자(Q1, Q4, 및 Q1', Q4')들의 역병렬다이오드를 통해 1차측 공진전류(IP1, IP2)들이 정류되며 입력단 전원(Vin)에 전력전달 동작된다. Mode 1 (t 1 ~t 2 ) : During the t 1 ~t 2 section , the secondary main switching elements S 1 and S 4 are turned on, so that the output voltage (V o ) is applied to the LLC resonant circuit terminal (ef) composed of the magnetizing inductance (L m2 , L m2' ) and the leakage inductance (L l1 /L l1 ', L l2 /L l2 ') of the series-connected transformers (T 1 , T 2 ) and the equivalent leakage inductance (L eq ) and the secondary resonant capacitor (C s ), and the secondary resonant current (I S ) flows, and the primary resonant currents (I P1 , I P2 ) flow through the anti-parallel diodes of the individual primary full-bridge switching elements (Q 1 , Q 4 , and Q 1 ', Q 4 '). It is rectified and power is transmitted to the input power supply (V in ).

Mode 2 (t 2 ~t 3 ) : t2~t3 구간 S1과 S4가 턴-온 되어 있지만, 개별 1차측 풀-브리지 스위칭소자(Q1, Q4, 및 Q1', Q4')들의 역병렬다이오드를 통해 정류되는 1차측 공진전류(IP1, IP2)가 0이 되어 단지 변압기(T1, T2)의 2차측 누설인덕턴스(Ll2/Ll2')와 자화인덕턴스(Lm2, Lm2'), 2차측공진커패시터(Cs)를 통해 흐르는 2차측 자화전류(IS=Im2=Im2') 만이 흐른다. Mode 2 (t 2 ~t 3 ): During the period t 2 ~t 3 , S 1 and S 4 are turned on, but the primary resonant current (I P1 , I P2 ) commutated through the anti-parallel diodes of the individual primary full-bridge switching elements (Q 1 , Q 4 , and Q 1 ', Q 4 ') becomes 0, so only the secondary magnetizing current (I S =I m2 =I m2 ') flowing through the secondary leakage inductance (L l2 /L l2 ') and magnetizing inductance (L m2 , L m2 ') of the transformer ( T 1 , T 2 ) and the secondary resonant capacitor (C s ) flows.

Mode 3 (t 3 ~t 4 ) : t3시점에서 S1과 S4가 턴-오프 되면, 2차측공진커패시터(Cs), 변압기(T1, T2)의 2차측 누설인덕턴스(Ll2/Ll2'), 자화인덕턴스(LM1, LM1')를 통해 흐르는 2차측 공진전류(IS=Im2=Im2')에 의해 S1과 S4의 기생출력커패시턴스(COSS)는 충전하기 시작하여 출력전압(Vo)으로 충전된다. 이와 동시에 S2와 S3의 기생출력커패시턴스(COSS)의 전압이 0으로 감소하고 이후 S2와 S3의 역병렬다이오드를 통해 전류가 흐르기 시작하면 이 모드는 끝난다. Mode 3 (t 3 ~t 4 ): When S 1 and S 4 are turned off at time t 3 , the parasitic output capacitance (C OSS ) of S 1 and S 4 starts to charge due to the secondary resonance current (I S =I m2 =I m2 ') flowing through the secondary resonance capacitor (C s ), secondary leakage inductance (L l2 /L l2 ') of the transformer (T 1 , T 2 ), and magnetizing inductance (L M1 , L M1 '), and is charged to the output voltage (V o ). At the same time, the voltage of the parasitic output capacitance (C OSS ) of S 2 and S 3 decreases to 0, and this mode ends when current starts to flow through the anti-parallel diodes of S 2 and S 3 .

따라서 변압기(T1, T2) 2차측 자화인덕턴스(Lm2, Lm2')에 흐르는 전류(IS=Im2=Im2')에 의해 영전압스위칭(ZVS) 동작이 이루어지기 때문에 영전압스위칭(ZVS)과 이득제어범위를 얻기 위해 변압기(T1, T2) 2차측 자화인덕턴스(Lm2, Lm2') 최적설계 및 적용이 필요하다. Therefore, since the zero voltage switching (ZVS) operation is achieved by the current (I S =I m2 =I m2 ') flowing in the secondary magnetizing inductance (L m2 , L m2 ') of the transformer (T 1 , T 2 ), optimal design and application of the secondary magnetizing inductance (L m2 , L m2 ') of the transformer (T 1 , T 2 ) is required to obtain zero voltage switching (ZVS) and gain control range.

Mode 4(t 4 ~t 5 ) : t4시점에서 S2와 S3의 역병렬다이오드를 통해 전류가 흐를 때 S2와 S3이 턴-온 하면 영전압스위칭(ZVS) 동작되고, t4~t5 구간 직렬 연결된 변압기(T1, T2)의 자화인덕턴스(Lm2, Lm2')와 누설인덕턴스(Ll1/Ll1', Ll2/Ll2')로 구성된 등가누설인덕턴스(Leq)와 2차측공진커패시터(Cs)로 구성된 LLC 공진회로 단자(e-f)에 부(Negative)의 출력전압(-Vo)이 인가되며 공진전류(IS)가 흐르고, 개별 1차측 풀-브리지 스위칭소자(Q2, Q3, 및 Q2', Q3')들의 역병렬다이오드를 통해 1차측 공진전류(IP1, IP1')들이 정류동작 하며 입력단 전원(Vin)에 전력전달 된다.Mode 4 (t 4 ~t 5 ): When current flows through the anti-parallel diodes of S 2 and S 3 at time t 4 , zero-voltage switching (ZVS) is performed when S 2 and S 3 are turned on, and a negative output voltage (-V o ) is applied to the LLC resonant circuit terminal (ef) composed of the magnetizing inductance (L m2 , L m2 ') and leakage inductance (L l1 /L l1 ', L l2 /L l2 ') of the series-connected transformers (T 1 , T 2 ) and the equivalent leakage inductance (L eq ) and the secondary resonant capacitor (C s ), and the resonant current (I S ) flows, and the individual primary full-bridge switching elements (Q 2 , Q 3 , and Q 2 ' , The primary resonant currents (I P1 , I P1 ') are rectified through the anti-parallel diodes of Q 3 ' and power is transmitted to the input power supply (V in ).

이후 반주기 동작은 유사 반복동작이므로 기술은 생략한다.The subsequent semi-cycle movements are similar repetitive movements, so their description is omitted.

본 발명은 마이크로그리드시스템, 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage System), 전기자동차 OBC(One Board Charger) 또는 배터리 충·방전시스템, 연료전지 전력변환장치 등 응용분야에서 넓은 입출력전압제어범위를 갖는 단방향 DC-DC 컨버터(Uni-directional DC-DC Converter) 및 양방향 DC-DC 컨버터(Bi-directional DC-DC Converter) 전력변환장치에 응용할 수 있다. The present invention can be applied to unidirectional DC-DC converters and bidirectional DC-DC converters having a wide input/output voltage control range in application fields such as microgrid systems, energy storage systems (ESS), electric vehicle OBCs (One Board Chargers) or battery charging/discharging systems, and fuel cell power conversion devices.

(제3 실시예)(Example 3)

이제, 본 발명의 제3 실시예에 관한 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브제어 단방향 및 양방향 공진컨버터를, 도 16 내지 도 18을 참조하여 상세히 설명한다.Now, the interleaved control unidirectional and bidirectional resonant converters with secondary LLC resonant circuit application according to the third embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 16 to 18.

도 16은, 본 발명의 제3 실시예에 관한 보조인덕터(LA) 적용 인터리브 위상변위제어 2차측 LLC DC-DC 공진컨버터이고, 도 17a 및 도 17b는, 도 16의 공진이득특성이며, 도 18은, 단락부하시 인터리브 위상변위제어(DP, IM) 순방향 동작이다.Fig. 16 is a secondary LLC DC-DC resonant converter with interleaved phase shift control applied to an auxiliary inductor (L A ) according to a third embodiment of the present invention, Figs. 17a and 17b are resonant gain characteristics of Fig. 16, and Fig. 18 is a forward operation of interleaved phase shift control (D P , IM) under short-circuit load.

또 다른 주회로 응용회로로 단방향 또는 순방향 동작시, 도 16과 도 17에 나타낸 바와 같이, 적용된 2차측 보조병렬인덕터(LA)에 따라 공진주파수(fr) 부근 일정스위칭주파수(fs)에서 인터리브 위상변위제어(Phase-shifted Modulation, PM)를 통해서 0전압에서 이득제어범위(Gv=0~2)까지 출력전압(Vo)을 제어하는 인터리브 위상변위제어(PM) 동작모드구간과 공진주파수(fr) 부근 스위칭주파수에서 낮은 최소주파수(fmin)까지 가변스위칭주파수제어(Frequency Modulation, FM) 동작을 통해 더 높은 이득특성을 가지고 동작하는 가변주파수제어(FM) 동작모드구간으로 나누어 동작할 수 있다. 적용된 2차측 보조병렬인덕터(LA)에 따라 1차측 스위칭소자에서의 영전압스위칭 및 공진주파수(fr)부근의 스위칭주파수에서 부터 낮은 최소주파수(fmin)까지 가변스위칭주파수제어(FM) 동작영역에서 이득특성을 보다 더 개선할 수 있다. Another main circuit application circuit for unidirectional or forward operation, As shown in FIGS. 16 and 17, the interleaved phase shift control (PM) operation mode section in which the output voltage (V o ) is controlled from 0 voltage to the gain control range (G v = 0 to 2) through interleaved phase shift control (PM) at a constant switching frequency (f s ) around the resonant frequency (f r ) depending on the applied secondary auxiliary parallel inductor (L A ), and the variable frequency control (FM) operation mode section in which the output voltage (V o ) is controlled from 0 voltage to the gain control range (G v = 0 to 2) through variable switching frequency control (Frequency Modulation, FM) operation from a switching frequency around the resonant frequency (f r ) to a low minimum frequency (f min ) can be divided into the operation mode section. Depending on the applied secondary-side auxiliary parallel inductor (L A ), the gain characteristics can be further improved in the variable switching frequency control (FM) operating range from zero voltage switching in the primary-side switching element and the switching frequency near the resonant frequency (f r ) to the low minimum frequency (f min ).

또한 풀-브리지 DC-DC 컨버터 1차측 공진전류(IP1, IP2)들이 스위칭소자의 미소 듀티 차이에 의해 발생될 수 있는 DC 편자(DC Bias)에 의한 전류불평형을 막기 위해 개별 1차측 풀-브리지 단자(a-b, c-d) 중 하나와 변압기(T1, T2) 1차측 권선들 중 단자 사이에 DC 블록킹커패시터(Blocking Capacitor: CB1, CB2)가 적용되어 있다. 그리고 변압기(T1, T2) 1차측 누설인덕턴스(Ll1, Ll1', Ll2, Ll2')와 별도로 공진인덕터(LrP1, LrP2 또는 LrS)를 적용할 수 있다.In addition, in order to prevent current imbalance due to DC bias that may be generated by a very small duty difference of switching elements in the primary resonance currents (I P1 , I P2 ) of the full-bridge DC-DC converter, a DC blocking capacitor (C B1 , C B2 ) is applied between one of the individual primary full-bridge terminals (ab, cd) and the terminals of the primary windings of the transformer (T 1 , T 2 ). In addition, a resonant inductor (L rP1 , L rP2 or L rS ) can be applied separately from the primary leakage inductance (L l1 , L l1 ', L l2 , L l2 ') of the transformer (T 1 , T 2 ).

(변형례)(variant)

부가적으로, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 대한 변형례로서, 접점(SAW)과 2차측 분압커패시터(Co1, Co2)로 구성된 더블러(Doubler) 소자적용 2차측 LLC(S-LLC) 공진컨버터를, 도 19 내지 도 22를 참조하여 설명한다.Additionally, as a modified example of the first and second embodiments of the present invention, a secondary LLC (S-LLC) resonant converter using a doubler element comprising a contact (S AW ) and secondary voltage-dividing capacitors (Co1, Co2) is described with reference to FIGS. 19 to 22.

도 19는, 본 발명의 제1 실시예의 변형례에 관한 풀-브리지 인터리브 위상변위제어 2차측 LLC DC-DC 공진컨버터이고, 도 22는, 본 발명의 제2 실시예의 변형례에 관한 하프-브리지 인터리브 위상변위제어 2차측 LLC DC-DC 공진컨버터이다.FIG. 19 is a full-bridge interleaved phase shift controlled secondary LLC DC-DC resonant converter according to a modified example of the first embodiment of the present invention, and FIG. 22 is a half-bridge interleaved phase shift controlled secondary LLC DC-DC resonant converter according to a modified example of the second embodiment of the present invention.

도 20a 및 도 20b는 각각, 도 14a 및 도 14f에 대응되는, 도 19 회로의 릴레이 접점(SAW) 오픈 상태에서 인터리브 위상변위제어(DP, IM) 순방향 동작시 동작모드이고, 도 20c 및 도 20d는 각각, 도 14a 및 도 14f에 대응되는, 도 19 회로의 릴레이 접점(SAW) 동작 상태에서 인터리브 위상변위제어(DP, IM) 순방향 동작시 동작모드이며, 도 21a 및 도 21b는 각각, 도 15a 및 도 15d에 대응되는, 도 19 회로의 릴레이 접점(SAW) 오픈 상태에서 가변스위칭주파수제어(FM) 역방향 동작시 동작모드이고, 도 21c 및 도 21d는 각각, 도 15a 및 도 15d에 대응되는, 도 19 회로의 릴레이 접점(SAW) 동작 상태에서 가변스위칭주파수제어(FM) 역방향 동작시 동작모드이다.FIGS. 20a and 20b are operation modes in the forward operation of the interleaved phase shift control (D P , IM) in the open state of the relay contact (S AW ) of the circuit of FIG. 19, which correspond to FIGS. 14a and 14f , respectively, and FIGS. 20c and 20d are operation modes in the forward operation of the interleaved phase shift control (D P , IM) in the operating state of the relay contact (S AW ) of the circuit of FIG. 19, which correspond to FIGS. 14a and 14f , respectively, and FIGS. 21a and 21b are operation modes in the reverse operation of the variable switching frequency control (FM) in the open state of the relay contact (S AW ) of the circuit of FIG. 19, which correspond to FIGS. 15a and 15d , respectively, and FIGS. 21c and 21d are operation modes in the reverse operation of the relay contact (S AW ) of the circuit of FIG. 19, which correspond to FIGS. 15a and 15d , respectively. This is the operating mode when the variable switching frequency control (FM) is in reverse operation.

배터리 충방전기 및 전기자동차 충전기 등 응용분야에서 배터리 전압을 2배로 승압화하고 있고, 다양한 배터리에 대응하기 위해서는 이를 대응하기 위한 주 회로방식이 요구되고 있는바, 본 변형례들은 이에 대응하기 위한 것이다. In application fields such as battery chargers and electric vehicle chargers, the battery voltage is being doubled, and in order to respond to various batteries, a main circuit method to respond to this is required. These modified examples are intended to respond to this.

이를 위해, 앞서 기술한 도 10 및 도 11의 풀-브리지 또는 하프브리지 인터리브 2차측 LLC(S-LLC) 공진컨버터의 순방향 및 역방향 동작에 있어서, 보다 넓은 입출력전압제어범위를 확대하기 위해, 도 19 및 도 22에서 보는 바와 같이, 도 10 및 도 11의 출력측 커패시터(Co) 대신 제1 출력측 커패시터(Co1) 및 제2 출력측 커패시터(Co2)로 구성하고, 상기 2차측 스위칭 소자(S3, S4)의 접점(f)과 제1, 제2 출력측 커패시터(Co1, Co2)의 접점(g) 사이에 릴레이 접점(SAW)을 적용하는 더블러 소자를 사용함으로써, 순방향 및 역방향 동작시 보다 넓은 입출력전압범위에서 동작가능하다.To this end, in order to expand a wider input/output voltage control range in the forward and reverse operations of the full-bridge or half-bridge interleaved secondary-side LLC (S-LLC) resonant converter of FIGS. 10 and 11 described above, as shown in FIGS. 19 and 22, instead of the output-side capacitor (Co) of FIGS. 10 and 11, a first output-side capacitor (Co1) and a second output-side capacitor (Co2) are configured, and a relay contact (S AW ) is applied between the contact (f) of the secondary-side switching elements (S3, S4) and the contact (g) of the first and second output-side capacitors (Co1, Co2), thereby enabling operation in a wider input/output voltage range in the forward and reverse operations.

순방향 동작 중 기존 2차측 풀-브리지정류방식의 경우 이득범위가 Gv=0~2였지만 더블러(Doubler) 소자에서 릴레이 접점(SAW)의 동작유무에 따라 출력전압(Vo) 제어범위를 두 배(Gv=0~2~4)로 확장할 수 있다. In the case of the existing secondary side full-bridge rectifier method during forward operation, the gain range was Gv=0~2, but in the doubler element, the output voltage (V o ) control range can be expanded to double (Gv=0~2~4) depending on the operation of the relay contact (S AW ).

이에 대한 릴레이 접점(SAW)에 따른 간략 동작모드를 도 20a 내지 도 20d에 나타내었는바, 도 20a 및 도 20b에서처럼 릴레이 접점(SAW)이 동작하지 않고 떨어져 있을 경우에는 제1 및 제2 실시예의 경우와 같이 풀-브리지 정류동작을 하지만, 도 20c 및 도 20d에서처럼 릴레이 접점(SAW)이 동작하여 붙어있을 경우에는, 더블러 동작을 통해 출력전압(Vo)을 2배로 확장하여 동작한다. A simplified operation mode according to the relay contact (S AW ) for this is shown in FIGS. 20a to 20d . When the relay contact (S AW ) is not operated and is separated as in FIGS. 20a and 20b , a full-bridge rectification operation is performed as in the first and second embodiments, but when the relay contact (S AW ) is operated and connected as in FIGS. 20c and 20d , the output voltage (V o ) is expanded to double through a doubler operation and operated.

역방향 동작에 있어서도 더블러(Doubler) 소자에서 릴레이 접점(SAW)의 동작유무에 따라 출력전압(Vo) 제어범위에서 입력단 전원(Vin)에 전력전달 제어할 수 있다. Even in reverse operation, power transmission to the input power supply (V in ) can be controlled within the output voltage (V o ) control range depending on the operation of the relay contact (S AW ) in the doubler element.

역방향 동작에 대한 릴레이 접점(SAW)에 따른 간략 동작모드를 도 21a 내지 도 21d에 나타내었는바, 도 21a 및 도 21b에서처럼 릴레이 접점(SAW)이 동작하지 않고 떨어져 있을 경우에는 풀-브리지 스위칭동작을 하지만, 도 21c 및 도 21d에서처럼 릴레이 접점(SAW)이 동작하여 붙어있을 경우에는 하프브리지 스위칭동작을 통해 분압된 출력전압(Vo)에 대응하여 입력단 전압(Vin)을 제어 동작한다. 이때 한쪽 브리지 2차측 스위칭소자인 S3, S4는 턴-오프(Turn-off) 동작되고, 한쪽 브리지 2차측 스위칭소자인 S1, S2는 50% 듀티비로 스위칭 동작되며 가변주파수제어를 통해 역방향 전력전달 제어한다. A simplified operation mode according to the relay contact (S AW ) for reverse operation is shown in FIGS. 21a to 21d. When the relay contact (S AW ) is not operated and is separated as in FIGS. 21a and 21b , a full-bridge switching operation is performed, but when the relay contact (S AW ) is operated and is connected as in FIGS. 21c and 21d , the input voltage (V in ) is controlled in response to the output voltage (V o ) divided through the half-bridge switching operation. At this time, the secondary switching elements S 3 and S 4 of one bridge are turned off, and the secondary switching elements S 1 and S 2 of one bridge are switched at a 50% duty ratio and the reverse power transfer is controlled through variable frequency control.

마지막으로, 본 발명의 최적 실시예를 나타내기 위해, 도 10의 회로를 적용한 1kW 양방향 2차측 LLC(S-LLC) 공진컨버터에 대해, [표 1]에 나타낸 주요 입출력사양 및 변압기(T1, T2), 1차측에서 바라본 1, 2차 누설인덕턴스(Ll1, Ll1', N2Ll2, N2Ll2') 및 자화인덕턴스(Lm1, Lm1') 등 파라미터, 2차측 공진인덕터(LSR)와 2차측 공진커패시터(CS)를 적용하여, 순방향 및 역방향 동작시 [수학식1]과 [수학식2]를 통한 공진이득특성 및 PSIM 프로그램을 활용하여 시뮬레이션한 실시예를 나타냈다. 이를 위해 양방향 동작 시, 2차측 LLC(S-LLC) 공진컨버터의 고유 이득특성을 갖는 도 10의 주회로에서, 입력전압범위(Vin : 50Vdc~80Vdc) 및 출력전압(Vo : 700Vdc) 조건에서 순방향 동작시는 공진주파수(fr) 또는 부근 일정 스위칭주파수(fs: 100kHz)에서 위상제어(DP, PM)를 통해 출력전압(Vo)을 제어하고, 역방향 동작시는 고정된 출력전압(Vo)에서 넓은 입력전압범위(Vin : 50Vdc~80Vdc)에 대해 가변스위칭주파수제어(fs : 47 kHz~105.7 kHz, FM)를 통해 역방향 전력전달되는 공진이득특성 및 PSIM 시뮬레이션 동작파형들을 도 12b와 도 12c, 도 13b와 도 13c에 나타냈다.Finally, in order to show the optimal embodiment of the present invention, for a 1kW bidirectional secondary-side LLC (S-LLC) resonant converter using the circuit of FIG. 10, the main input/output specifications and parameters such as transformers (T 1 , T 2 ), primary and secondary leakage inductances (L l1 , L l1 ', N 2 L l2 , N 2 L l2 ') and magnetizing inductances (L m1 , L m1 ') as seen from the primary side, a secondary-side resonant inductor (L SR ) and a secondary-side resonant capacitor (C S ) are applied, and the resonance gain characteristics through [Mathematical Formula 1] and [Mathematical Formula 2] during forward and reverse operations and the simulation using the PSIM program are shown in the example. To this end, in the main circuit of Fig . 10 having the inherent gain characteristics of the secondary-side LLC (S-LLC) resonant converter in bidirectional operation, the output voltage (V o ) is controlled through phase control (D P , PM ) at the resonant frequency (f r ) or a near constant switching frequency (f s : 100 kHz) under the input voltage range (V in : 50 V dc to 80 V dc ) and output voltage (V o : 700 V dc ) conditions in the forward operation, and the resonant gain characteristics and PSIM simulation operation waveforms in which reverse power is transferred through variable switching frequency control (f s : 47 kHz to 105.7 kHz, FM) for a wide input voltage range (V in : 50 V dc to 80 V dc ) at a fixed output voltage (V o ) in the reverse operation are shown in Figs. 12b and 12c, and Figs. 13b and 13c.

[표 1]은, PSIM 시뮬레이션에 적용된 양방향 2차측 LLC 공진 컨버터 주요 정격 및 파라메타이다.[Table 1] shows the main ratings and parameters of the bidirectional secondary LLC resonant converter applied to the PSIM simulation.

도 10과 [표 1]에 나타낸 주회로 사양의 순방향동작에서, 인터리브 위상변위제어(DP, PM)를 하다가 단락부하조건이 되면, 도 18에 나타낸 것처럼 인터리브 위상변위제어(DP, PM)가 0(Out-Phase)이 되어 출력전압(Vo)을 0로 저감시켜 안정적으로 단락부하에 대응하는 시뮬레이션 결과를 나타냈다.In the forward operation of the main circuit specifications shown in Fig. 10 and [Table 1], when the interleaved phase shift control (D P , PM) is performed and a short-circuit load condition occurs, the interleaved phase shift control (D P , PM) becomes 0 (Out-Phase) as shown in Fig. 18, reducing the output voltage (V o ) to 0, and showing the simulation results that stably respond to the short-circuit load.

이상의 본 발명의 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터에 의하면, 전류불평형 저감 및 영전압스위칭을 위한 수단으로 기존 2개의 1차측 LLC 공진회로를 하나의 공진회로를 적용한 인터리브 2차측 LLC (S-LLC) 공진회로로 회로변경을 통해, 1차측 풀-브리지 또는 하프-브리지 컨버터가 병렬로 동작하며 인터리브 위상변위제어(DP) 동작한다고 할지라도, 1차측에 유도되는 개별 1차측 공진전류(IP1, IP2) 불평형이 최소화되도록 동작하고, 2개의 공진회로가 아닌 하나의 공진회로를 적용함으로써 부품요소를 최소화할 수 있으며, 뿐만 아니라 과부하 및 단락부하에도 위상변이제어(DP)를 0(Out-Phase)로 저감하여 출력전압(Vo)을 0전압으로 감소시켜 과부하 또는 단락전류를 제한할 수 있게 된다.According to the interleaved converter applying the secondary-side LLC resonant circuit of the present invention, by changing the circuit of the existing two primary-side LLC resonant circuits into an interleaved secondary-side LLC (S-LLC) resonant circuit applying a single resonant circuit as a means for reducing current imbalance and zero-voltage switching, even if the primary-side full-bridge or half-bridge converter operates in parallel and interleaved phase shift control (D P ) is operated, the individual primary-side resonant current (I P1 , I P2 ) imbalance induced in the primary side is minimized, and by applying one resonant circuit instead of two resonant circuits, the component elements can be minimized, and in addition, by reducing the phase shift control (D P ) to 0 (Out-Phase) even under overload and short-circuit, the output voltage (V o ) can be reduced to 0 voltage, thereby limiting the overload or short-circuit current.

입출력사양(Vin / Vo / Po)Input/output specifications (V in / V o / P o ) 50Vdc~80Vdc / 700Vdc / 1kW50V dc ~80V dc / 700V dc / 1kW 1차측에서 바로 본
변압기
파라메타
Seen directly from the first side
Transformer
Parameter
변압기
(T1)
Transformer
(T 1 )
1차측 누설인덕턴스(Ll1)Primary leakage inductance (L l1 ) 0.2691 uH0.2691 uH
2차측 누설인덕턴스(N2Ll2)Secondary leakage inductance (N 2 L l2 ) 0.9391 uH0.9391 uH 자화 인덕턴스(Lm)Magnetizing inductance (L m ) 20 uH 20 uH 변압기
(T2)
Transformer
(T 2 )
1차측 누설인덕턴스(Ll1')Primary leakage inductance (L l1 ') 0.2691 uH0.2691 uH
2차측 누설인덕턴스(N2Ll2')Secondary leakage inductance (N 2 L l2 ') 0.9391 uH0.9391 uH 자화 인덕턴스(Lm')Magnetizing inductance (L m ') 20 uH20 uH 권선비 (NP1/NS1, NP2/NS2)Turning ratio (N P1 /N S1, N P2 /N S2 ) 0.15(3T/20T), 0.15(3T/20T)0.15(3T/20T), 0.15(3T/20T) 순방향
동작시
Forward
In action
PSIM 시뮬레이션 적용
1차측 주스위칭 소자(Q1~Q4)
Application of PSIM simulation
Primary side main switching element (Q 1 ~ Q 4 )
IPP048N12N3 (120V,100A,
RDS: 4.8mΩ, Power MOSFET)
IPP048N12N3 (120V,100A,
R DS : 4.8mΩ, Power MOSFET)
1차측 블럭킹 커패시터(CB1, CB2)Primary side blocking capacitor (C B1 , C B2 ) 20 uF20 uF 공진 주파수resonant frequency 100 kHz100 kHz 스위칭 주파수 (fr/fs)Switching frequency (f r /f s ) 100 kHz100 kHz 역방향
동작시
Reverse
In action
PSIM 시뮬레이션 적용
2차측 주스위칭 소자(S1~S4)
Application of PSIM simulation
Secondary side main switching element (S 1 ~ S 4 )
UJ3C120040K3S (1200V,65A,
RDS: 35mΩ, SiC MOSFET)
UJ3C120040K3S (1200V,65A,
R DS : 35mΩ, SiC MOSFET)
2차측 공진 커패시터(Cs)/공진인덕터(LSR)Secondary resonant capacitor (C s )/resonant inductor (L SR ) 14 nF/80 uH14 nF/80 uH 공진 주파수(fr)Resonant frequency (f r ) 100 kHz100 kHz 스위칭 주파수(fs)Switching frequency (f s ) 47 kHz ~ 105.7 kHz47 kHz ~ 105.7 kHz

이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 및 변형한 것도 본 발명에 속함은 당연하다.Although the present invention has been described above according to one embodiment of the present invention, it is obvious that changes and modifications made by a person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains within a scope that does not depart from the technical idea of the present invention also belong to the present invention.

T1, T2 : 변압기
FB1, FB2 : 1차측 풀-브릿지회로
FB3 : 2차측 풀-브릿지회로
a-b, c-d : 1차측 풀-브리지 단자
e-f : 2차측브리지정류다이오드부 단자
Q1-Q2/Q3-Q4, Q1'-Q2'/Q3'-Q4' : 1차측 스위칭소자
S1-S2, S3-S4 : 2차측 스위칭소자
Ll1, Ll1' : 1차측누설인덕턴스
Lm1, Lm1' : 1차측 자화인덕턴스
CB1, CB2 : 1차측 블럭킹 커패시터
Ll2, Ll2' : 2차측 누설인덕턴스
Lm2, Lm2' : 2차측 자화인덕턴스
Cs : 2차측 공진 커패시터
LrS : 공진인덕터
LA : 보조인덕터
T 1 , T 2 : Transformer
FB1, FB2: Primary full-bridge circuit
FB3: Secondary full-bridge circuit
ab, cd: primary full-bridge terminals
ef: secondary bridge rectifier diode terminal
Q 1 -Q 2 /Q 3 -Q 4 , Q 1 '-Q 2 '/Q 3 '-Q 4 ' : Primary switching elements
S 1 -S 2 , S 3 -S 4 : Secondary switching elements
L l1 , L l1 ' : Primary leakage inductance
L m1 , L m1 ' : Primary magnetizing inductance
C B1 , C B2 : Primary side blocking capacitor
L l2 , L l2 ' : Secondary leakage inductance
L m2 , L m2 ' : Secondary magnetizing inductance
C s : Secondary resonant capacitor
L rS : resonant inductor
L A : Auxiliary inductor

Claims (19)

LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터에 있어서,
n개(n≥2)의 변압기;
상기 n개의 변압기 1차측에 각각 연결되는 n개의 풀-브리지 회로; 및
상기 n개의 변압기 2차측에 상호 직렬로 연결되며 2차측에서 하나의 공진회로를 적용한 인터리브 2차측 LLC (S-LLC) 공진회로;
를 포함하며,
1차측에서 상기 n개의 풀-브리지 회로가 병렬로 동작하도록 하면서, 1차측에 유도되는 상기 n개의 변압기의 각각의 1차측 공진전류(IP1, IP2) 불평형이 최소화되도록 동작하고,
2차측에서는 하나의 공진회로를 적용함으로써 부품요소를 최소화하면서 과부하 및 단락부하에도 위상변이제어(DP)를 0(Out-Phase)로 저감하여 출력전압(Vo)을 0전압으로 감소시켜 과부하 또는 단락전류를 제한할 수 있으며,
출력측 커패시터는, 제1 출력측 커패시터(Co1) 및 제2 출력측 커패시터(Co2)로 구성하고, 2차측 스위칭 소자(S3, S4)의 접점(f)과 상기 제1, 제2 출력측 커패시터(Co1, Co2)의 접점(g) 사이에 릴레이 접점(SAW)을 적용하는 더블러 소자를 사용함으로써, 순방향 및 역방향 동작시 보다 넓은 입출력전압범위에서 동작가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터.
In the interleaved converter applying LLC resonant circuit,
n (n≥2) transformers;
n full-bridge circuits each connected to the primary side of the n transformers; and
Interleaved secondary LLC (S-LLC) resonant circuit in which the secondary sides of the above n transformers are connected in series with each other and one resonant circuit is applied to the secondary side;
Including,
The n full-bridge circuits are operated in parallel on the primary side, and the primary resonance current (I P1 , I P2 ) imbalance of each of the n transformers induced on the primary side is minimized.
By applying a single resonant circuit on the secondary side, the component elements are minimized and the phase shift control (D P ) is reduced to 0 (Out-Phase) even under overload and short-circuit load, thereby reducing the output voltage (V o ) to 0 voltage, thereby limiting overload or short-circuit current.
An interleaved converter with a secondary LLC resonant circuit, characterized in that the output-side capacitor is composed of a first output-side capacitor (Co1) and a second output-side capacitor (Co2), and a doubler element that applies a relay contact (S AW ) between the contact (f) of the secondary-side switching element (S3, S4) and the contact (g) of the first and second output-side capacitors (Co1, Co2), thereby enabling operation in a wider input/output voltage range during forward and reverse operations.
LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터에 있어서,
n개(n≥2)의 변압기;
상기 n개의 변압기 1차측에 각각 연결되는 n개의 하프-브리지 회로; 및
상기 n개의 변압기 2차측에 상호 직렬로 연결되며 2차측에서 하나의 공진회로를 적용한 인터리브 2차측 LLC (S-LLC) 공진회로;
를 포함하며,
1차측에서 상기 n개의 하프-브리지 회로가 병렬로 동작하도록 하면서, 1차측에 유도되는 상기 n개의 변압기의 각각의 1차측 공진전류(IP1, IP2) 불평형이 최소화되도록 동작하고,
2차측에서는 하나의 공진회로를 적용함으로써 부품요소를 최소화하면서 과부하 및 단락부하에도 위상변이제어(DP)를 0(Out-Phase)로 저감하여 출력전압(Vo)을 0전압으로 감소시켜 과부하 또는 단락전류를 제한할 수 있으며,
출력측 커패시터는, 제1 출력측 커패시터(Co1) 및 제2 출력측 커패시터(Co2)로 구성하고, 2차측 스위칭 소자(S3, S4)의 접점(f)과 상기 제1, 제2 출력측 커패시터(Co1, Co2)의 접점(g) 사이에 릴레이 접점(SAW)을 적용하는 더블러 소자를 사용함으로써, 순방향 및 역방향 동작시 보다 넓은 입출력전압범위에서 동작가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터.
In the interleaved converter applying LLC resonant circuit,
n (n≥2) transformers;
n half-bridge circuits each connected to the primary side of the n transformers; and
Interleaved secondary LLC (S-LLC) resonant circuit in which the secondary sides of the above n transformers are connected in series with each other and one resonant circuit is applied to the secondary side;
Including,
The n half-bridge circuits are operated in parallel on the primary side, and the primary resonance current (I P1 , I P2 ) imbalance of each of the n transformers induced on the primary side is minimized.
By applying a single resonant circuit on the secondary side, the component elements are minimized and the phase shift control (D P ) is reduced to 0 (Out-Phase) even under overload and short-circuit load, thereby reducing the output voltage (V o ) to 0 voltage, thereby limiting overload or short-circuit current.
An interleaved converter with a secondary LLC resonant circuit, characterized in that the output-side capacitor is composed of a first output-side capacitor (Co1) and a second output-side capacitor (Co2), and a doubler element that applies a relay contact (S AW ) between the contact (f) of the secondary-side switching element (S3, S4) and the contact (g) of the first and second output-side capacitors (Co1, Co2), thereby enabling operation in a wider input/output voltage range during forward and reverse operations.
LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터에 있어서,
n개(n≥2)의 변압기;
상기 n개의 변압기 1차측에 각각 연결되는 n개의 풀-브리지 회로; 및
상기 n개의 변압기 2차측에 상호 직렬로 연결되며 2차측에서 하나의 공진회로를 적용한 인터리브 2차측 LLC (S-LLC) 공진회로;
를 포함하며,
1차측에서 상기 n개의 풀-브리지 회로가 병렬로 동작하도록 하면서, 1차측에 유도되는 상기 n개의 변압기의 각각의 1차측 공진전류(IP1, IP2) 불평형이 최소화되도록 동작하고,
2차측에서는 하나의 공진회로를 적용함으로써 부품요소를 최소화하면서 과부하 및 단락부하에도 위상변이제어(DP)를 0(Out-Phase)로 저감하여 출력전압(Vo)을 0전압으로 감소시켜 과부하 또는 단락전류를 제한하되,
2차측에서 보조병렬인덕터(LA)를 추가로 포함하며,
출력측 커패시터는, 제1 출력측 커패시터(Co1) 및 제2 출력측 커패시터(Co2)로 구성하고, 2차측 스위칭 소자(S3, S4)의 접점(f)과 상기 제1, 제2 출력측 커패시터(Co1, Co2)의 접점(g) 사이에 릴레이 접점(SAW)을 적용하는 더블러 소자를 사용함으로써, 순방향 및 역방향 동작시 보다 넓은 입출력전압범위에서 동작가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터.
In the interleaved converter applying LLC resonant circuit,
n (n≥2) transformers;
n full-bridge circuits each connected to the primary side of the n transformers; and
Interleaved secondary LLC (S-LLC) resonant circuit in which the secondary sides of the above n transformers are connected in series with each other and one resonant circuit is applied to the secondary side;
Including,
The n full-bridge circuits are operated in parallel on the primary side, and the primary resonance current (I P1 , I P2 ) imbalance of each of the n transformers induced on the primary side is minimized.
By applying a single resonant circuit on the secondary side, the component elements are minimized and the phase shift control (D P ) is reduced to 0 (Out-Phase) even in overload and short-circuit loads, thereby reducing the output voltage (V o ) to 0 voltage, thereby limiting overload or short-circuit current.
In addition, an auxiliary parallel inductor (L A ) is included on the secondary side.
An interleaved converter with a secondary LLC resonant circuit, characterized in that the output-side capacitor is composed of a first output-side capacitor (Co1) and a second output-side capacitor (Co2), and a doubler element that applies a relay contact (S AW ) between the contact (f) of the secondary-side switching element (S3, S4) and the contact (g) of the first and second output-side capacitors (Co1, Co2), thereby enabling operation in a wider input/output voltage range during forward and reverse operations.
제 1 항에 있어서,
상기 n개의 풀-브리지 회로의 각각의 1차측 풀-브리지 단자(a-b, c-d) 중 하나와 대응되는 변압기의 1차측누설인덕턴스(Ll1, Ll1')와 자화인덕턴스(Lm1, Lm1')로 구성된 1차측 단자 중 하나 사이에 직렬 연결되는 DC 블록킹커패시터(CB1, CB2)가, 각각 연결되어 있고, 상기 풀-브리지 회로의 상기 1차측 풀-브리지 단자(a-b, c-d) 중 타단과 변압기 1차측 단자 중 타단이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터.
In the first paragraph,
An interleaved converter applying a secondary LLC resonant circuit, characterized in that DC blocking capacitors (C B1 , C B2 ) are connected in series between one of the primary side terminals consisting of the primary side leakage inductance (L l1 , L l1 ') and the magnetizing inductance ( L m1 , L m1 ' ) of the transformer corresponding to each of the n primary side full-bridge terminals (ab, cd) of the full-bridge circuit, and the other of the primary side full-bridge terminals (ab, cd) of the full-bridge circuit is connected to the other of the primary side terminals of the transformer.
제 2 항에 있어서,
상기 n개의 하프-브리지 회로의 각각의 1차측 하프-브리지 단자(a-b, c-d) 중 하나와 대응되는 변압기의 1차측누설인덕턴스(Ll1, Ll1')와 자화인덕턴스(Lm1, Lm1')로 구성된 1차측 단자 중 하나 사이에 직렬 연결되는 DC 블록킹커패시터(CB1, CB2)가, 각각 연결되어 있고, 상기 하프-브리지 회로의 상기 1차측 하프-브리지 단자(a-b, c-d) 중 타단과 변압기 1차측 단자 중 타단이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터.
In the second paragraph,
An interleaved converter applying a secondary LLC resonant circuit, characterized in that DC blocking capacitors (C B1 , C B2 ) are connected in series between one of the primary half-bridge terminals (ab, cd) of each of the n half-bridge circuits and one of the primary terminals consisting of the primary leakage inductance (L l1 , L l1 ') and the magnetizing inductance (L m1 , L m1 ' ) of the corresponding transformer, and the other of the primary half-bridge terminals (ab, cd) of the half-bridge circuit is connected to the other of the primary terminals of the transformer.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 n개의 변압기의 각각의 변압기 2차측 누설인덕턴스(Ll2, Ll2')를 포함한 변압기 2차측 권선은 직렬 연결되어 있고, 직렬 연결된 단자 중 하나와 스위칭소자(S1-S2, S3-S4)로 구성된 2차측브리지정류다이오드부 단자(e-f) 중 하나와 직렬 연결된 2차측공진커패시터(Cs)가 결선되어 2차측 LLC 공진회로로 구성된 것을 특징으로 하는 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터.
In claim 1 or 2,
An interleaved converter applying a secondary LLC resonant circuit, characterized in that the secondary windings of the transformers including the secondary leakage inductances (L l2 , L l2 ') of each of the n transformers are connected in series, and one of the series-connected terminals and one of the terminals (ef) of the secondary bridge rectifier diode section consisting of switching elements (S 1 -S 2 , S 3 -S 4 ) are connected in series with a secondary resonant capacitor (C s ) to form a secondary LLC resonant circuit.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 인터리브 컨버터는 양방향 컨버터인 것을 특징으로 하는 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터.
In claim 1 or 2,
The above interleaved converter is an interleaved converter with a secondary LLC resonant circuit, characterized in that it is a bidirectional converter.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 n개의 변압기(T1, T2) 1차측은 누설인덕턴스 대신에 별도의 공진인덕터(LrP1, LrP2)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터.
In any one of claims 1 to 3,
An interleaved converter with a secondary LLC resonant circuit, characterized in that the primary sides of the above n transformers (T 1 , T 2 ) additionally include separate resonant inductors (L rP1 , L rP2 ) instead of leakage inductance.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 n개의 변압기(T1, T2) 2차측은 누설인덕턴스 대신에 별도의 공진인덕터(LrS)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터.
In any one of claims 1 to 3,
An interleaved converter with a secondary LLC resonant circuit, characterized in that the secondary sides of the above n transformers (T 1 , T 2 ) additionally include a separate resonant inductor (L rS ) instead of a leakage inductance.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
n=2 인 것을 특징으로 하는 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터.
In any one of claims 1 to 3,
Interleaved converter with secondary LLC resonant circuit characterized by n=2.
인터리브 위상변위제어 2차측 LLC 공진회로를 갖는 컨버터로서,
순방향 동작시는 공진주파수(fr) 부근 일정스위칭주파수(fs)에서 개별 1차측 풀-브리지 회로 간 인터리브 위상변위제어를 통해서 0전압에서 이득제어범위(Gv)까지 출력전압(Vo)을 제어하며 전력전달할 수 있고,
역방향 동작의 경우는 변압기(T1, T2) 자화인덕턴스(Lm1, Lm1')와 1, 2차측 누설인덕턴스(Ll1, Ll1', Ll2, Ll2') 및 2차측 공진커패시터(Cs)와의 LLC 공진이득특성을 이용하여 가변주파수제어를 통해 출력(Vo)단 에너지를 입력단(Vin)으로 전력전달할 수 있는 주회로를 포함하며,
순방향 동작시는 변압기(T1, T2) 1, 2차측 누설인덕턴스(Ll1, Ll1', Ll2, Ll2')와 2차측공진커패시터(Cs)와의 공진을 이용하여 인터리브 위상변위제어를 통해 순방향 전력전달하고, 역방향 동작시는 변압기(T1, T2)의 자화인덕턴스(Lm1, Lm1')와 누설인덕턴스(Ll1, Ll1', Ll2, Ll2')로 구성된 등가누설인덕턴스 및 2차측공진커패시터(Cs)와 LLC공진이득특성에 따른 가변스위칭주파수제어(FM)를 통해 역방향전력전달됨으로써,
양방향 모두 공진이득특성을 갖는 것을 특징으로 하는 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터.
A converter having an interleaved phase shift control secondary LLC resonant circuit,
In forward operation, power can be transmitted by controlling the output voltage (V o ) from 0 voltage to the gain control range (Gv ) through interleaved phase shift control between individual primary full-bridge circuits at a constant switching frequency (f s ) near the resonant frequency (f r ).
In the case of reverse operation, the magnetizing inductance (L m1 , L m1 ') of the transformer (T 1 , T 2 ) and the leakage inductances of the primary and secondary sides (L l1 , L l1 ', It includes a main circuit that can transfer power from the output (V o ) end energy to the input end (V in ) through variable frequency control by utilizing the LLC resonant gain characteristics with the secondary resonant capacitor (C s ) and the secondary resonant capacitor (L l2 , L l2 ').
When operating in the forward direction, the leakage inductance of the primary and secondary sides of the transformer (T 1 , T 2 ) (L l1 , L l1 ', The forward power is transmitted through interleaved phase shift control by utilizing the resonance between the secondary resonant capacitor (C s ) and the secondary resonant capacitor (L l2 , L l2 '), and when operating in the reverse direction , the magnetizing inductance (L m1 , L m1 ') and leakage inductance (L l1 , L l1 ', By transmitting the reverse power through the equivalent leakage inductance (L l2 , L l2 ') and the secondary resonant capacitor (C s ) and the variable switching frequency control (FM) according to the LLC resonant gain characteristics,
Interleaved converter with a secondary LLC resonant circuit characterized by having resonant gain characteristics in both directions.
인터리브 위상변위제어 2차측 LLC 공진회로를 갖는 컨버터로서,
순방향 동작시는 공진주파수(fr) 부근 일정스위칭주파수(fs)에서 개별 1차측 하프-브리지 회로 간 인터리브 위상변위제어를 통해서 0전압에서 이득제어범위(Gv)까지 출력전압(Vo)을 제어하며 전력전달할 수 있고,
역방향 동작의 경우는 변압기(T1, T2) 자화인덕턴스(Lm1, Lm1')와 1, 2차측 누설인덕턴스(Ll1, Ll1', Ll2, Ll2') 및 2차측 공진커패시터(Cs)와의 LLC 공진이득특성을 이용하여 가변주파수제어를 통해 출력(Vo)단 에너지를 입력단(Vin)으로 전력전달할 수 있는 주회로를 포함하며,
순방향 동작시는 변압기(T1, T2) 1, 2차측 누설인덕턴스(Ll1, Ll1', Ll2, Ll2')와 2차측공진커패시터(Cs)와의 공진을 이용하여 인터리브 위상변위제어를 통해 순방향 전력전달하고, 역방향 동작시는 변압기(T1, T2)의 자화인덕턴스(Lm1, Lm1')와 누설인덕턴스(Ll1, Ll1', Ll2, Ll2')로 구성된 등가누설인덕턴스 및 2차측공진커패시터(Cs)와 LLC공진이득특성에 따른 가변스위칭주파수제어(FM)를 통해 역방향전력전달됨으로써,
양방향 모두 공진이득특성을 갖는 것을 특징으로 하는 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터.
A converter having an interleaved phase shift control secondary LLC resonant circuit,
In forward operation, power can be transmitted by controlling the output voltage (V o ) from 0 voltage to the gain control range (Gv ) through interleaved phase shift control between individual primary half-bridge circuits at a constant switching frequency (f s ) near the resonant frequency (f r ).
In the case of reverse operation, the magnetizing inductance (L m1 , L m1 ') of the transformer (T 1 , T 2 ) and the leakage inductances of the primary and secondary sides (L l1 , L l1 ', It includes a main circuit that can transfer power from the output (V o ) end energy to the input end (V in ) through variable frequency control by utilizing the LLC resonant gain characteristics with the secondary resonant capacitor (C s ) and the secondary resonant capacitor (L l2 , L l2 ').
When operating in the forward direction, the leakage inductance of the primary and secondary sides of the transformer (T 1 , T 2 ) (L l1 , L l1 ', The forward power is transmitted through interleaved phase shift control by utilizing the resonance between the secondary resonant capacitor (C s ) and the secondary resonant capacitor (L l2 , L l2 '), and when operating in the reverse direction , the magnetizing inductance (L m1 , L m1 ') and leakage inductance (L l1 , L l1 ', By transmitting the reverse power through the equivalent leakage inductance (L l2 , L l2 ') and the secondary resonant capacitor (C s ) and the variable switching frequency control (FM) according to the LLC resonant gain characteristics,
Interleaved converter with a secondary LLC resonant circuit characterized by having resonant gain characteristics in both directions.
제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 이득제어범위(Gv)는, 'Gv=0~2' 인 것을 특징으로 하는 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터.
In clause 11 or 12,
An interleaved converter applied with a secondary LLC resonant circuit, characterized in that the above gain control range (Gv) is 'G v = 0 to 2'.
제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 인터리브 위상변위제어는, 'DP=0~0.5' 인 것을 특징으로 하는 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터.
In clause 11 or 12,
The above interleaved phase shift control is an interleaved converter applied with a secondary LLC resonant circuit, characterized in that 'D P = 0~0.5'.
제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
주회로의 순방향 동작은, 위상제어(DP, PM)에 따른 6가지 동작모드를 갖되, 순방향 동작시, 스위칭동작주파수(fs)는 공진주파수(fr) 또는 공진주파수(fr)보다 기 설정된 범위 내에서 더 낮거나 높은 주파수영역에서 스위칭 동작하고 있고, 2차측 브리지스위칭소자(S1,S2,S3,S4)는 동기정류기로도 적용할 수 있지만 턴-오프(Turn-off)되어 있어 역병렬다이오드를 통해 정류 동작하는 것을 특징으로 하는 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터.
In clause 11 or 12,
An interleaved converter with a secondary LLC resonant circuit, characterized in that the forward operation of the main circuit has six operation modes according to phase control (D P , PM), and during forward operation, the switching operation frequency (f s ) performs switching operation in a frequency range lower or higher than the resonant frequency (f r ) or within a preset range than the resonant frequency (fr), and the secondary bridge switching elements (S 1 , S 2 , S 3 , S 4 ) can be applied as synchronous rectifiers, but are turned off and perform rectification operation through anti-parallel diodes.
제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
주회로의 역방향 동작은, 가변스위칭주파수제어(FM, fmax∼fmin)에 따라 동작을 하고, 이때 역방향 동작시, 스위칭동작주파수(fs)는 공진주파수(fr)를 기준으로 최대스위칭주파수(fmax)에서부터 공진주파수(fr) 아래 불연속공진전류가 흐르는 최소스위칭주파수(fmin) 영역에서 스위칭 동작하는 것을 특징으로 하는 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터.
In clause 11 or 12,
An interleaved converter with a secondary LLC resonant circuit, characterized in that the reverse operation of the main circuit operates according to variable switching frequency control (FM, fmax∼fmin), and at this time, when operating in the reverse direction, the switching operation frequency (fs) performs switching operation in the range from the maximum switching frequency (fmax) to the minimum switching frequency (fmin) in which a discontinuous resonant current flows below the resonant frequency (fr) based on the resonant frequency (fr).
제 1 항 내지 제 3 항, 제 11 항 및 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 2차측 LLC 공진회로 적용 인터리브 컨버터를 채용하는 전력변환장치.A power conversion device employing an interleaved converter applying a secondary LLC resonant circuit according to any one of claims 1 to 3, 11 and 12. 제 17 항에 있어서,
상기 전력변환장치는, 마이크로그리드시스템, 에너지저장시스템(ESS), 전기자동차 OBC(One Board Charger), 배터리 충·방전시스템, 연료전지 전력변환장치 중의 어느 하나의 장치에 사용되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
In Article 17,
The above power conversion device is a power conversion device characterized in that it is used in any one of a microgrid system, an energy storage system (ESS), an electric vehicle OBC (One Board Charger), a battery charging/discharging system, and a fuel cell power conversion device.
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