KR101523045B1 - Soft switching DC-DC converter with high voltage conversion ratio - Google Patents
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Abstract
소프트 스위칭 동작으로 스위치 및 다이오드와 같은 스위칭 소자에서 발생하는 손실은 최소화하고, 전류 분담과 인티리빙 효과로 전력밀도를 높일 수 있는 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터에 관한 것으로, 입력된 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하고, 고주파 성분이 제거된 전압을 복수의 스위칭 소자를 통해 한 주기 내에 상보적인 스위칭을 한 후, 전압 체배 및 정류를 하여 출력해주는 제1 승압부; 상기 제1 승압부와 병렬로 연결되어 입력된 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하고, 고주파 성분이 제거된 전압을 복수의 스위칭 소자를 통해 한 주기 내에 상보적인 스위칭을 한 후, 전압 체배 및 정류를 하여 출력해주는 제2 승압부를 포함하고, 상기 제1 승압부의 출력 및 상기 제2 승압부의 출력과 입력 전압을 직렬로 결합하여 출력전압으로 부하 측에 공급함으로써, 더 높은 승압비를 구현할 수 있으며, 스위치 및 다이오드의 전압 정격을 낮출 수 있고, 별도의 전류센서를 사용하지 않고서도 각 상의 전류 불평형을 방지할 수 있게 된다.The present invention relates to a high-boost soft-switching DC-DC converter capable of minimizing losses occurring in switching elements such as switches and diodes by soft switching operation and increasing power density by current sharing and intrinsic living effects, A first boosting unit for eliminating high frequency components and performing complementary switching of the voltage from which high frequency components have been removed through a plurality of switching elements within a period of time and then performing voltage multiplication and rectification for output; A high frequency component removed from the input power source is connected in parallel with the first voltage step-up unit, the high frequency component removed voltage is subjected to complementary switching in one cycle through a plurality of switching elements, And the output of the first step-up unit and the output of the second step-up unit and the input voltage are serially combined and supplied to the load side as the output voltage, so that a higher step-up ratio can be realized, The voltage rating of the switch and the diode can be lowered, and the current imbalance of each phase can be prevented without using a separate current sensor.
Description
본 발명은 고승압(high voltage conversion ratio) 소프트 스위칭(soft switching) 직류-직류 컨버터(DC-DC converter)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소프트 스위칭 동작으로 스위치 및 다이오드와 같은 스위칭 소자에서 발생하는 손실은 최소화하고, 전류 분담과 인터리빙 효과로 전력밀도를 높일 수 있는 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE
일반적으로, 직류-직류 컨버터(DC-DC Converter)는 임의 전압의 직류전원을 다른 전압의 직류전원으로 변환하는 전력장치를 일컬으며, 연료 전지와 같은 전원을 공급받는 대전력 시스템에서는 출력 전압이 낮고, 부하에 따라 변동폭이 크기 때문에 이를 조정하기 위한 장치로 사용된다.Generally, a DC-DC converter (DC-DC converter) refers to a power device that converts a DC power of arbitrary voltage into a DC power of another voltage. In a large power system that is supplied with power such as a fuel cell, , And it is used as a device for adjusting the fluctuation depending on the load.
최근, 전력변환기의 소형화, 경량화를 실현하기 위하여 PWM 방식의 DC-DC 컨버터를 고속의 스위칭 주파수로 동작시킬 때, 주파수에 비례하여 손실이 커지게 되는 문제가 발생하였으나, 공진형 컨버터의 사용으로 이러한 손실을 현저하게 감소시켰다.In recent years, when the PWM type DC-DC converter is operated at a high switching frequency in order to realize miniaturization and light weight of the power converter, there has been a problem that the loss increases in proportion to the frequency. However, The loss was remarkably reduced.
그러나 공진형 컨버터는 정현파 전류, 전압에 의하여 스위치를 구동하는 방식이므로 스위치의 전류, 전압 스트레스가 증가하고 결과적으로 전도손실의 증가를 초래하는 단점을 유발하였다.However, since the resonant converter drives the switch by the sinusoidal current and voltage, the current and voltage stress of the switch are increased and consequently the conduction loss is increased.
이러한 단점을 개선하기 위해서 종래에 제안된 기술이 하기의 <특허문헌 1> 대한민국 등록특허 등록번호 10-1033933호(2011.05.11. 공고)에 개시된다.In order to solve such a disadvantage, a conventionally proposed technique is disclosed in the following Patent Document 1: Korean Registered Patent Registration No. 10-1033933 (issued on May 11, 2011).
<특허문헌 1>에 개시된 종래기술은 도 1에 도시된 바와 같이, 필터 인덕터(L1), 스위칭 소자(S1, S2), 보조회로(C1, L2, D1, D2, C2, C3)로 구성된다.As shown in FIG. 1, the prior art disclosed in
필터 인덕터(l1)는 입력된 공급 전원(Vin)에 포함된 고주파 성분을 제거하고 저주파 성분만을 통과시키는 필터링 역할을 한다.The
스위칭 소자(S1, S2)는 통상의 IGBT를 이용하는 것이 바람직하고, 스위칭 소자 S1이 주 스위치이며, 스위칭 소자 S2와는 한 주기 내에 상보적인 동작을 한다. 예를 들어, 스위칭 소자 S1이 턴-온되면 스위칭 소자 S2는 턴-오프된다.It is preferable that the switching elements S1 and S2 use normal IGBTs, and the switching element S1 is the main switch, and operates in a complementary manner within one cycle to the switching element S2. For example, when the switching element S1 is turned on, the switching element S2 is turned off.
따라서 1주기가 T라고 하면, 스위칭 소자 S1이 D라는 듀티 시간을 가지면, 스위칭 소자 S2는 T - D라는 듀티 시간을 가지게 되며, 두 스위칭 소자(S1, S2) 간의 겹치는 동작시간은 없게 된다.Therefore, if one period is T, if the switching element S1 has a duty time of D, the switching element S2 has a duty time of T - D, and there is no overlapping operation time between the two switching elements S1 and S2.
보조회로는 보조 인덕터(L2)에서 출력된 전압이 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2)를 통해 직류의 (+), (-)일 때 제1커패시터(C2) 및 제2커패시터(C2)에 동시에 충전되고, 이후 출력 전압(Vout)으로 부하 측에 공급된다.The auxiliary circuit is configured such that when the voltage output from the auxiliary inductor L2 is positive or negative (+) or negative (-) through the first diode D1 and the second diode D2, the first capacitor C2 and the second capacitor C2, and then supplied to the load side with the output voltage Vout.
도 2 및 도 3은 도 1의 다른 실시 예로서, 저전압 측에 2개의 필터 인덕터(L1, L2), 4개의 스위치인 제1 내지 제4 MOSFET(S1 ~ S4), 2개의 보조 커패시터(C1, C2), 2개의 보조 인덕터(L3, L4), 전압 더블러인 제1 내지 제4 다이오드(D1 ~ D4), 3개의 커패시터(C1 ~ C3)를 포함한다.2 and 3 show another embodiment of FIG. 1, which includes two filter inductors L1 and L2 on the low voltage side, first through fourth MOSFETs S1 through S4 as four switches, two auxiliary capacitors C1, C2, two auxiliary inductors L3 and L4, first to fourth diodes D1 to D4 as voltage doublers, and three capacitors C1 to C3.
여기서 제2MOSFET(S2)와 제4MOSFET(S4), 제1MOSFET(S2)와 제3MOSFET(S3)는 비대칭적으로 출력 전압이 제어되고, 상보적(complementary) 스위칭에 의해 필터 인덕터(L1, L2)와 보조 인덕터(L3, L4), 스위치의 내부 커패시터를 이용하여 DCM(Discontinuous Current Mode)에서 뿐만 아니라 CCM(Continuous Current Mode)에서도 자연적으로 영전압 스위칭을 구현할 수 있다.Here, the output voltages of the second MOSFET S2 and the fourth MOSFET S4, the first MOSFET S2 and the third MOSFET S3 are asymmetrically controlled, and the filter inductors L1 and L2 Zero voltage switching can be implemented naturally in CCM (Continuous Current Mode) as well as in Discontinuous Current Mode (DCM) using the auxiliary inductors L3 and L4 and the internal capacitors of the switch.
아울러 고전압 측은 전압 더블러를 직렬로 구성하여 승압비를 상승시키고 소자의 전압 정격을 낮추는 역할을 하며, 보조 인덕터(L3, L4)에 흐르는 전류도 인터리빙하여 출력 커패시터(C3, C4, C5)로 흐르기 때문에 출력 리플을 감소시켜 출력 커패시터(C3, C4, C5)의 값이 작아지게 된다.In addition, the high voltage side has a voltage doubler connected in series to increase the step-up ratio and lower the voltage rating of the device. The current flowing in the auxiliary inductors L3 and L4 is also interleaved to flow to the output capacitors C3, C4 and C5 Therefore, the output ripple is reduced and the value of the output capacitors C3, C4, and C5 becomes small.
이러한 종래기술은 공진이 발생하지 않으므로, 공진을 제거하기 위한 추가 회로로 인한 회로의 복잡성 및 비용을 줄일 수 있게 된다.This conventional technique does not cause resonance, so that it is possible to reduce circuit complexity and cost due to an additional circuit for eliminating resonance.
아울러 주 스위치 및 보조 스위치가 모두 영전압 스위칭이 가능하여 스위칭 손실을 최소화시킴으로써, 컨버터의 전체 전력 효율을 높일 수 있는 고승압비를 갖는 직류-직류 컨버터를 제공해주게 된다.In addition, both the main switch and the auxiliary switch are capable of zero voltage switching, minimizing the switching loss, thereby providing a DC-DC converter with a high step-up ratio that can increase the overall power efficiency of the converter.
또한, 보조 스위치와 주 스위치에 데드 타임 및 상보적 스위칭을 적용하여 주 스위치의 듀티 제한을 제거하고, 보조 회로와 부스트 컨버터의 출력을 직렬로 연결하여 출력 전압을 양분함으로써 각 소자의 정격 전압을 낮출 수 있는 고승압비를 갖는 직류-직류 컨버터를 제공해주게 되는 것이다.
In addition, dead time and complementary switching are applied to the auxiliary switch and the main switch to eliminate the duty limit of the main switch, and the output voltage of the auxiliary circuit and the boost converter are connected in series to lower the rated voltage of each device DC converter having a high step-up ratio.
그러나 상기와 같은 종래기술은 고주파 변압기 없이 듀티가 0.5에서 약 4배로 승압시킬 수 있는 높은 승압비를 갖기 때문에 손실, 부피 그리고 가격을 줄일 수 있는 비절연형 컨버터이며, 더 높은 승압비와 전류 분담 효과를 갖는 인터리빙 구조로 확장할 수 있는 장점이 있으나, 여러 불균형 요소(기생성분, 소자들 간의 공차, 듀티 오차, 기타) 들로 인하여 각 상에 불균형이 발생하는 문제점이 있었다.However, the conventional technology as described above is a non-isolated converter capable of reducing loss, volume, and price because it has a high step-up ratio that can increase the duty from 0.5 to about 4 without a high-frequency transformer. (Parasitic component, tolerance between elements, duty error, etc.), there is a problem that an imbalance occurs in each phase.
또한, 상기와 같은 불균형에 의해 도 4에 도시한 바와 같이 한쪽으로만 전류가 치우치는 현상이 발생하기 때문에 각 상의 인덕터 전류의 불균형 제어가 필요하게 되어, 제어방식이 복잡해지고, 제어장치의 추가로 인해 부피가 크고 가격이 비싼 전류센서를 각 상에 한 개씩 필수로 사용해야하는 복잡함이 있다.
In addition, due to such an imbalance, as shown in Fig. 4, a phenomenon in which the current is biased only occurs on one side, so that unbalance control of the inductor current of each phase is required, There is the complexity of using bulky and expensive current sensors one by one on each phase.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 소프트 스위칭 동작으로 스위치 및 다이오드와 같은 스위칭 소자에서 발생하는 손실은 최소화하고, 전류 분담과 인티리빙 효과로 전력밀도를 높일 수 있는 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above problems of the prior art, and it is an object of the present invention to minimize the loss occurring in a switching element such as a switch and a diode by a soft switching operation, Boosting soft-switching DC-DC converter capable of increasing the output voltage of the DC-DC converter.
본 발명의 다른 목적은 종래 2상 고승압 컨버터의 듀티와 동일한 상태에서 더 높은 승압비를 갖는 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a high boost soft switching DC-DC converter having a higher step-up ratio in the same state as that of the conventional two-phase high-voltage step-up converter.
본 발명의 또 다른 목적은 스위치 및 다이오드의 전압 정격을 낮출 수 있도록 한 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터를 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a high boost soft switching DC-DC converter capable of reducing the voltage rating of a switch and a diode.
본 발명의 또 다른 목적은 각 상의 인덕터 전류 불평형을 제어하기 위한 별도의 전류센서를 사용하지 않고서도 각 상의 전류 불평형을 방지할 수 있도록 한 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터를 제공하는 것이다.
It is still another object of the present invention to provide a high boost soft switching DC-DC converter capable of preventing current imbalance of each phase without using a separate current sensor for controlling the inductor current imbalance of each phase.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터는 입력된 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하고, 고주파 성분이 제거된 전압을 복수의 스위칭 소자를 통해 한 주기 내에 상보적인 스위칭을 한 후, 전압 체배 및 정류를 하여 출력해주는 제1 승압부; 상기 제1 승압부와 병렬로 연결되어 입력된 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하고, 고주파 성분이 제거된 전압을 복수의 스위칭 소자를 통해 한 주기 내에 상보적인 스위칭을 한 후, 전압 체배 및 정류를 하여 출력해주는 제2 승압부를 포함하고,According to an aspect of the present invention, there is provided a high-booster soft-switching DC-DC converter comprising: a high-voltage soft-switching DC-DC converter configured to remove a high-frequency component included in an input power supply, A first boosting unit that performs complementary switching within a period, and then performs voltage multiplication and rectification for output; A high frequency component removed from the input power source is connected in parallel with the first voltage step-up unit, and the high frequency component removed voltage is subjected to complementary switching in one cycle through a plurality of switching elements, And a second step-up unit for outputting the output signal,
상기 제1 승압부의 출력 및 상기 제2 승압부의 출력과 입력 전압을 직렬로 결합하여 출력전압으로 부하 측에 공급하는 것을 특징으로 한다.And the output of the first step-up unit and the output of the second step-up unit and the input voltage are serially combined and supplied to the load side as an output voltage.
상기에서 출력전압은 상기 제1승압부 및 제2 승압부의 출력전압 합과 역방향으로 결선되어 있는 입력전압의 차로 결정되는 것을 특징으로 한다.Wherein the output voltage is determined by a difference between an input voltage connected in a direction opposite to a sum of output voltages of the first and second voltage step-up parts.
상기에서 제1 승압부는 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하기 위한 제1 필터 인덕터; 게이트로 입력되는 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하여 상기 제1 필터 인덕터의 출력 전압을 스위칭하는 제1 스위칭부; 상기 제1 스위칭부의 상보적인 온/오프를 통해 출력된 전압을 체배하고 정류하여 출력하는 제1 보조 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.The first boosting unit may include a first filter inductor for removing a high frequency component included in the power supply; A first switching unit that operates complementarily with a control signal input to the gate to switch the output voltage of the first filter inductor; And a first auxiliary circuit for multiplying and rectifying the voltage output through the complementary on / off of the first switching unit and outputting the rectified voltage.
상기에서 제1 스위칭부는 상기 제1 필터 인덕터와 병렬로 연결되어 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하는 제1 및 제2 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.The first switching unit includes first and second switching elements connected in parallel with the first filter inductor and complementarily operated by a control signal.
상기에서 제1 보조 회로는 상기 제1 필터 인덕터의 출력과 연결되는 제1 보조 커패시터; 상기 제1 필터 인덕터와 결합하여 상기 제1 및 제2 스위칭 소자가 소프트 스위칭하도록 하는 제1 보조 인덕터; 상기 제1 보조 인덕터의 출력 전압 및 상기 제1 및 제2 스위칭 소자의 출력 전압을 정류하는 제1 및 제2 다이오드; 정류된 전압과 역방향 입력 전압을 충전하는 제1 및 제2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.Wherein the first auxiliary circuit comprises: a first auxiliary capacitor connected to the output of the first filter inductor; A first auxiliary inductor coupled to the first filter inductor to cause the first and second switching elements to perform soft switching; First and second diodes for rectifying an output voltage of the first auxiliary inductor and an output voltage of the first and second switching elements; And first and second capacitors for charging the rectified voltage and the reverse input voltage.
상기에서 제2 승압부는 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하기 위한 제2 필터 인덕터; 게이트로 입력되는 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하여 상기 제2 필터 인덕터의 출력 전압을 스위칭하는 제2 스위칭부; 상기 제2 스위칭부의 상보적인 온/오프를 통해 출력된 전압을 체배하고 정류하여 출력하는 제2 보조 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.The second boosting unit may include a second filter inductor for removing a high frequency component included in the power supply; A second switching unit that operates complementarily with a control signal input to the gate to switch an output voltage of the second filter inductor; And a second auxiliary circuit for multiplying and rectifying the voltage output through complementary on / off of the second switching unit and outputting the rectified voltage.
상기에서 제2 스위칭부는 상기 제2 필터 인덕터와 병렬로 연결되어 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하는 제3 및 제4 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.The second switching unit includes third and fourth switching elements connected in parallel to the second filter inductor and complementarily operated by a control signal.
상기에서 제2 보조 회로는 상기 제2 필터 인덕터의 출력과 연결되는 제2 보조 커패시터; 상기 제2 필터 인덕터와 결합하여 상기 제3 및 제4 스위칭 소자가 소프트 스위칭하도록 하는 제2 보조 인덕터; 상기 제2 보조 인덕터의 출력 전압 및 상기 제3 및 제4 스위칭 소자의 출력 전압을 정류하는 제3 및 제4 다이오드; 정류된 전압과 역방향 입력 전압을 충전하는 제3 및 제4 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
A second auxiliary circuit connected to the output of the second filter inductor; A second auxiliary inductor coupled to the second filter inductor to allow the third and fourth switching devices to perform soft switching; Third and fourth diodes for rectifying the output voltage of the second auxiliary inductor and the output voltage of the third and fourth switching elements; And third and fourth capacitors for charging the rectified voltage and the reverse input voltage.
본 발명에 따르면 소프트 스위칭 동작으로 스위치 및 다이오드와 같은 스위칭 소자에서 발생하는 손실은 최소화하고, 전류 분담과 인티리빙 효과로 전력밀도를 높일 수 있는 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터를 제공해주는 장점이 있다.According to the present invention, there is an advantage of providing a high-booster soft-switching DC-DC converter capable of minimizing a loss occurring in a switching element such as a switch and a diode by a soft switching operation and increasing a power density by current sharing and intensive living effect .
또한, 종래 2상 고승압 컨버터의 듀티와 동일한 상태에서 더 높은 승압비를 구현할 수 있는 장점이 있으며, 스위치 및 다이오드의 전압 정격을 낮출 수 있는 장점도 있다.In addition, there is an advantage that a higher step-up ratio can be realized in the same state as the duty of the conventional two-phase high-voltage step-up converter, and the voltage rating of the switch and the diode can be lowered.
또한, 각 상의 인덕터 전류 불평형을 제어하기 위한 별도의 전류센서를 사용하지 않고서도 각 상의 전류 불평형을 방지할 수 있는 효과도 있다.
Also, it is possible to prevent the current imbalance of each phase without using a separate current sensor for controlling the inductor current unbalance of each phase.
도 1은 종래 고승압 직류-직류 컨버터의 실시 예 회로도,
도 2는 종래 고승압 직류-직류 컨버터의 확장 제1 실시 예 회로도,
도 3은 종래 고승압 직류-직류 컨버터의 확장 제2 실시 예 회로도,
도 4는 종래 고승압 직류-직류 컨버터에서 발생하는 인덕터 전류 불균형 파형도,
도 5는 본 발명에 따른 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터의 회로도,
도 6은 본 발명에서 인덕터 전류의 파형도,
도 7은 도 5의 직류-직류 컨버터의 각부 동작 파형도,
도 8은 본 발명의 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터를 확장한 예시 회로도,
도 9는 본 발명의 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터의 양방향 동작 회로도.1 is a circuit diagram of a conventional high boost DC-DC converter,
FIG. 2 is a circuit diagram of a first embodiment of a conventional boost DC / DC converter,
3 is a circuit diagram of a second embodiment of a conventional high-boost DC-DC converter,
4 is an inductor current unbalance waveform generated in a conventional boost DC-DC converter,
5 is a circuit diagram of a high boost soft switching DC-DC converter according to the present invention,
6 is a waveform diagram of an inductor current according to the present invention,
FIG. 7 is a waveform diagram of each part of the DC-DC converter of FIG. 5,
8 is an exemplary circuit diagram of a high voltage boost soft switching DC-DC converter of the present invention,
9 is a bi-directional operational circuit diagram of the high boost soft switching DC-DC converter of the present invention.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a high boost soft switching DC-DC converter according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터의 회로도로서, 제1 승압부(10) 및 제2 승압부(20)를 포함한다.5 is a circuit diagram of a high-booster soft-switching DC-DC converter according to a preferred embodiment of the present invention, and includes a
제1 승압부(10)는 입력된 공급 전원(Vs)에 포함된 고주파 성분을 제거하고, 고주파 성분이 제거된 전압을 복수의 스위칭 소자를 통해 한 주기 내에 상보적인 스위칭을 한 후, 전압 체배 및 정류를 하여 출력해주는 역할을 한다.The
이러한 제1 승압부(10)는 공급 전원(Vs)에 포함된 고주파 성분을 제거하기 위한 제1 필터 인덕터(11); 게이트로 입력되는 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하여 상기 제1 필터 인덕터(11)의 출력 전압을 스위칭하는 제1 스위칭부(12); 상기 제1 스위칭부(12)의 상보적인 온/오프를 통해 출력된 전압을 체배하고 정류하여 출력하는 제1 보조회로(13)를 포함한다.The
상기 제1 스위칭부(12)는 상기 제1 필터 인덕터(11)와 병렬로 연결되어 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하는 제1 및 제2 스위칭 소자(S11, S12)를 포함하며, 이러한 스위칭 소자는 MOSFET 또는 IGBT로 구현할 수 있다.The
상기 제1 보조 회로(13)는 상기 제1 필터 인덕터(11)의 출력과 연결되는 제1 보조 커패시터(C11); 상기 제1 필터 인덕터(11)와 결합하여 상기 제1 및 제2 스위칭 소자(S11, S12)가 소프트 스위칭하도록 하는 제1 보조 인덕터(L13); 상기 제1 보조 인덕터(L13)의 출력 전압 및 상기 제1 및 제2 스위칭 소자(S11, S12)의 출력 전압을 정류하는 제1 및 제2 다이오드(D11, D12); 정류된 전압과 역방향 입력 전압을 충전하는 제1 및 제2 커패시터(C13, C14)를 포함한다.The first auxiliary circuit (13) includes a first auxiliary capacitor (C11) connected to the output of the first filter inductor (11); A first auxiliary inductor L13 coupled to the
제2 승압부(20)는 상기 제1 승압부(10)와 병렬로 연결되어 입력된 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하고, 고주파 성분이 제거된 전압을 복수의 스위칭 소자를 통해 한 주기 내에 상보적인 스위칭을 한 후, 전압 체배 및 정류를 하여 출력해주는 역할을 한다.The
이러한 제2 승압부(20)는 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하기 위한 제2 필터 인덕터(21); 게이트로 입력되는 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하여 상기 제2 필터 인덕터(21)의 출력 전압을 스위칭하는 제2 스위칭부(22); 상기 제2 스위칭부(22)의 상보적인 온/오프를 통해 출력된 전압을 체배하고 정류하여 출력하는 제2 보조 회로(23)를 포함한다.The
상기 제2 스위칭부(22)는 상기 제2 필터 인덕터(21)와 병렬로 연결되어 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하는 제3 및 제4 스위칭 소자(S13, S14)를 포함한다.The
상기 제2 보조 회로(23)는 상기 제2 필터 인덕터(21)의 출력과 연결되는 제2 보조 커패시터(C12); 상기 제2 필터 인덕터(21)와 결합하여 상기 제3 및 제4 스위칭 소자(S13, S14)가 소프트 스위칭하도록 하는 제2 보조 인덕터(L13); 상기 제2 보조 인덕터(L13)의 출력 전압 및 상기 제3 및 제4 스위칭 소자(S13, S14)의 출력 전압을 정류하는 제3 및 제4 다이오드(D13, D14); 정류된 전압과 역방향 입력 전압을 충전하는 제3 및 제4 커패시터(C15, C16)를 포함한다.The second
이렇게 구성된 본 발명은 상기 제1 승압부(10)의 출력 및 상기 제2 승압부(20)의 출력과 입력 전압을 직렬로 결합하여 출력전압으로 부하 측에 공급하게 된다. 따라서 출력전압은 상기 제1승압부(10) 및 제2 승압부(20)의 출력전압 합과 역방향으로 결선되어 있는 입력전압의 차로 결정된다.In the present invention configured as described above, the output of the
이하 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the operation of the high boosting soft switching DC-DC converter according to the present invention will be described in detail.
먼저, 공급 전원(Vs)이 제1 승압부(10)에 공급되고, 제1 스위칭부(12)의 제1 스위칭 소자(S11)의 게이트로 구동신호(Gs1)를 입력하게 되면, 제1 스위칭소자(S11)가 턴-온되어 제1 필터 인덕터(11)를 통해 고주파 성분이 제거된 입력 전원을 출력하게 된다. First, when the supply voltage Vs is supplied to the first boosting
이와 같은 경우 제1 스위칭 소자(S11)만 턴-온된 상태이기 때문에, 공급 전원은 제1 필터 인덕터(L11), 제1스위칭 소자(S11), 제1 보조 커패시터(C11), 제1 보조 인덕터(L13), 제1 다이오드(D11)를 경유하여, 제1 및 제2 커패시터(C13, C14)에 충전된다.In this case, since only the first switching element S11 is turned on, the supply power is supplied to the first filter inductor L11, the first switching element S11, the first auxiliary capacitor C11, the first auxiliary inductor L13 and the first diode D11, the first and second capacitors C13 and C14 are charged.
따라서 저전압 측인 제1 필터 인덕터(L11) 및 제1 보조 인덕터(L13)에 모두 양(+)인 전원이 흐르게 되므로 전류는 증가하는 기울기를 가지게 되며, 고전압 측인 제1 다이오드(D11)를 따라 제1 및 제2 커패시터(C13, C14)에 걸린 전압과 역방향으로 결선 되어 있는 입력 전압의 차가 출력되는 전압이 된다. 이때, 제1 및 제2 커패시터(C13, C14)는 전압 더블러(체배기)의 역할을 수행하게 된다.Accordingly, positive power flows to both the first filter inductor L11 and the first ancillary inductor L13, which are the low voltage side, so that the current has an increasing slope, and the first diode D11, which is the high voltage side, And the input voltage that is connected in the opposite direction to the voltage applied to the second capacitors C13 and C14. At this time, the first and second capacitors C13 and C14 function as a voltage doubler (multiplier).
다음으로, 제1 스위칭 소자(S11)의 구동 신호가 오프 상태가 되면, 제1 스위칭 소자(S11)는 턴-오프되어 전류가 흐리지 않게 된다. Next, when the driving signal of the first switching device S11 is turned off, the first switching device S11 is turned off, so that the current does not flow.
여기서 제1 스위칭 소자(S11)와 제2 스위칭 소자(S12)가 모두 턴-온되지 않은 상태를 데드 타임(Dead Time)이라 하며, 이 구간에서는 제1 스위칭 소자(S11)의 내부 커패시터가 전류의 흐름이 정방향이므로 충전을 하게 되며, 제2 스위칭 소자(S12)의 내부 커패시터는 전류의 흐름이 역방향이므로 방전을 하게 된다.Here, a state in which neither the first switching device S11 nor the second switching device S12 is turned on is referred to as a dead time. In this interval, the internal capacitor of the first switching device S11 is turned on The current flows through the internal capacitor of the second switching device S12 because the current flows in the reverse direction, so that the internal capacitor of the second switching device S12 discharges.
이후, 제1 승압부(10)에 전압이 공급되고, 제2 스위칭 소자(S12)의 채널 역방향으로 흐르던 전류가 0이 된 후, 자연적으로 채널의 정방향으로 전원이 인가되며, 이로 인해 영전압 스위칭에 의한 제2 스위칭 소자(S12)가 턴-온된다.Thereafter, a voltage is supplied to the first boosting
이와 같은 경우, 제2 스위칭 소자(S12)만 턴-온된 상태이기 때문에, 제1 스위칭 소자(S11), 제1다이오드(D11)로는 전류가 인가되지 않으며, 상기 제1 스위칭 소자(S11) 및 제1다이오드(D11)를 제외한 나머지 소자들로는 전류가 흐르게 된다.In this case, since only the second switching device S12 is turned on, no current is applied to the first switching device S11 and the first diode D11, and the first switching device S11 and the first
따라서 제2 스위칭 소자(S12)만 턴-온된 상태이기 때문에, 공급 전원은 제1 필터 인덕터(L11), 제2스위칭 소자(S12), 제1 보조 커패시터(C11), 제1 보조 인덕터(L13), 제2 다이오드(D12)를 경유하여, 제1 및 제2 커패시터(C13, C14)에 충전된다.Therefore, since only the second switching element S12 is turned on, the supply power is supplied to the first filter inductor L11, the second switching element S12, the first auxiliary capacitor C11, the first auxiliary inductor L13, The first and second capacitors C13 and C14 are charged via the second diode D12.
따라서 저전압 측인 제1 필터 인덕터(L11) 및 제1 보조 인덕터(L13)에 모두 음(-)인 전원이 흐르게 되므로 전류는 증가하는 기울기를 가지게 되며, 고전압 측인 제2다이오드(D12)를 따라 제1 및 제2 커패시터(C13, C14)에 걸린 전압과 역방향으로 결선 되어 있는 입력 전압의 차가 출력되는 전압이 된다. 이때, 제1 및 제2 커패시터(C13, C14)는 전압 더블러(체배기)의 역할을 수행하게 된다.Accordingly, since a negative power is supplied to both the first filter inductor L11 and the first ancillary inductor L13, which are the low voltage side, the current has an increasing slope, and the first diode L12, And the input voltage that is connected in the opposite direction to the voltage applied to the second capacitors C13 and C14. At this time, the first and second capacitors C13 and C14 function as a voltage doubler (multiplier).
한편, 제1 승압부(10)에 입력단이 병렬로 연결된 제2승압부(20)도 상기 제1 승압부(10)의 동작과 동일한 동작을 수행하여, 전압 승압 동작을 하게 된다.The second boosting
예컨대, 공급 전원(Vs)이 제2 승압부(20)에 공급되고, 제2 스위칭부(22)의 제3 스위칭 소자(S13)의 게이트로 도 7에 도시한 바와 같은 구동신호(Gs3)를 입력하게 되면, 제3 스위칭소자(S13)가 턴-온되어 제2 필터 인덕터(21)를 통해 고주파 성분이 제거된 입력 전원을 출력하게 된다. For example, the supply voltage Vs is supplied to the second boosting
이와 같은 경우 제3 스위칭 소자(S13)만 턴-온된 상태이기 때문에, 공급 전원은 제2 필터 인덕터(L12), 제3스위칭 소자(S13), 제2 보조 커패시터(C12), 제2 보조 인덕터(L14), 제3 다이오드(D14)를 경유하여, 제3 및 제4 커패시터(C15, C16)에 충전된다.In this case, since only the third switching element S13 is turned on, the supply power is supplied to the second filter inductor L12, the third switching element S13, the second auxiliary capacitor C12, the second auxiliary inductor L14 and the third diode D14 to the third and fourth capacitors C15 and C16.
따라서 저전압 측인 제2 필터 인덕터(L12) 및 제2 보조 인덕터(L14)에 모두 양(+)인 전원이 흐르게 되므로 전류는 증가하는 기울기를 가지게 되며, 고전압 측인 제3 다이오드(D14)를 따라 제3 및 제4 커패시터(C15, C16)에 걸린 전압과 역방향으로 결선 되어 있는 입력 전압의 차가 출력되는 전압이 된다. 이때, 제3 및 제4 커패시터(C15, C16)는 전압 더블러(체배기)의 역할을 수행하게 된다.Accordingly, since a positive power is supplied to both the second filter inductor L12 and the second ancillary inductor L14 which are the low voltage side, the current has an increasing slope, and the third diode D14, which is the high voltage side, And the fourth capacitor (C15, C16) and the input voltage connected in the opposite direction. At this time, the third and fourth capacitors C15 and C16 function as a voltage doubler (multiplier).
다음으로, 제3 스위칭 소자(S13)의 구동 신호가 오프 상태가 되면, 제3 스위칭 소자(S13)는 턴-오프되어 전류가 흐리지 않게 된다. Next, when the driving signal of the third switching element S13 is turned off, the third switching element S13 is turned off so that the current does not flow.
여기서 제3 스위칭 소자(S13)와 제4 스위칭 소자(S14)가 모두 턴-온되지 않은 상태를 데드 타임(Dead Time)이라 하며, 이 구간에서는 제3 스위칭 소자(S13)의 내부 커패시터가 전류의 흐름이 정방향이므로 충전을 하게 되며, 제4 스위칭 소자(S14)의 내부 커패시터는 전류의 흐름이 역방향이므로 방전을 하게 된다.Here, a state in which neither the third switching device S13 nor the fourth switching device S14 is turned on is referred to as a dead time. In this interval, the internal capacitor of the third switching device S13 Since the current flows in the positive direction, the internal capacitor of the fourth switching device S14 discharges because the current flows in the reverse direction.
이후, 제2 승압부(20)에 전압이 공급되고, 제4 스위칭 소자(S14)의 채널 역방향으로 흐르던 전류가 0이 된 후, 자연적으로 채널의 정방향으로 전원이 인가되며, 이로 인해 영전압 스위칭에 의한 제4 스위칭 소자(S14)가 턴-온된다.Thereafter, the voltage is supplied to the second boosting
이와 같은 경우, 제4 스위칭 소자(S14)만 턴-온된 상태이기 때문에, 제3 스위칭 소자(S13), 제3다이오드(D14)로는 전류가 인가되지 않으며, 상기 제3 스위칭 소자(S13) 및 제3다이오드(D13)를 제외한 나머지 소자들로는 전류가 흐르게 된다.In this case, since only the fourth switching device S14 is turned on, no current is applied to the third switching device S13 and the third diode D14, and the third switching device S13 and the third switching device S13 are turned off. Current flows through the remaining elements except for the third diode D13.
따라서 제4 스위칭 소자(S14)만 턴-온된 상태이기 때문에, 공급 전원은 제2 필터 인덕터(L12), 제4스위칭 소자(S14), 제2 보조 커패시터(C12), 제2 보조 인덕터(L14), 제4 다이오드(D15)를 경유하여, 제3 및 제4 커패시터(C15, C16)에 충전된다.Therefore, since only the fourth switching element S14 is turned on, the supply power is supplied to the second filter inductor L12, the fourth switching element S14, the second auxiliary capacitor C12, the second auxiliary inductor L14, And the fourth diode D15 to the third and fourth capacitors C15 and C16.
따라서 저전압 측인 제2 필터 인덕터(L12) 및 제2 보조 인덕터(L14)에 모두 음(-)인 전원이 흐르게 되므로 전류는 증가하는 기울기를 가지게 되며, 고전압 측인 제4다이오드(D13)를 따라 제3 및 제4 커패시터(C15, C16)에 걸린 전압과 역방향으로 결선 되어 있는 입력 전압의 차가 출력되는 전압이 된다. 이때, 제3 및 제4 커패시터(C15, C16)는 전압 더블러(체배기)의 역할을 수행하게 된다.Accordingly, since a negative (-) power source flows through both the second filter inductor L12 and the second ancillary inductor L14, which are the low voltage side, the current has an increasing slope, and the third diode D13, which is the high voltage side, And the fourth capacitor (C15, C16) and the input voltage connected in the opposite direction. At this time, the third and fourth capacitors C15 and C16 function as a voltage doubler (multiplier).
도 6은 본 발명의 인덕터 전류 파형을 도시한 것이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 직류-직류 컨버터는 별도의 제어가 없어도 불평형 없이 동작하는 것을 알 수 있다. 따라서 전류 불평형을 제어하기 위해서 기존에 사용하는 고가의 전류센서를 추가로 사용할 필요가 없다.Figure 6 shows the inductor current waveform of the present invention. As shown in FIG. 6, the DC-DC converter according to the present invention operates without imbalance without any control. Therefore, there is no need to use an existing expensive current sensor to control current imbalance.
이러한 본 발명에 따르면 종래 2상 고승압 컨버터는 듀티가 0.5에서 약 6배의 승압비를 갖는 반면에, 본 발명은 종래기술보다 더 높은 7배의 승압비를 갖게 된다.According to the present invention, the conventional two-phase high-voltage step-up converter has a step-up ratio of about six times as high as the duty of 0.5, while the present invention has a step-up ratio of seven times higher than that of the prior art.
즉, 종래 2상 고승압 컨버터는 듀티 0.5에서, 승압비가 하기의 [수학식1]과 같이 6배가 된다.That is, in the conventional two-phase high-voltage step-up converter, in the duty 0.5, the step-up ratio is six times as in Equation (1).
여기서 D는 듀티를 나타낸다.Where D represents duty.
본 발명에 따르면 듀티 0.5에서 승압비가 하기의 [수학식2]와 같이 7배가 된다.According to the present invention, in the duty 0.5, the step-up ratio is 7 times as in the following equation (2).
예컨대, 출력 측에 구비된 각 커패시터 하나 당 입력전압의 2배의 전압을 갖게 되며, 각 커패시터의 출력과 직렬로 역방향의 입력전압이 결선 되어 있어, 그 입력 전압을 감산하면 7배의 승압비가 되는 것이다.For example, each of the capacitors provided on the output side has a voltage twice as high as the input voltage, and a reverse input voltage is connected in series with the output of each capacitor. When the input voltage is subtracted, will be.
또한, 본 발명의 다른 특징으로서 스위치 및 다이오드의 전압 정격이 종래 고승압 컨버터 대비 1/4수준으로 낮출 수 있다. 즉, 컨버터의 소자 전압 정격은 출력측 커패시터의 하나의 전압과 같게 되는 데, 출력측 커패시터가 4개이므로 출력측 커패시터 전압이 출력전압의 약 1/4수준이기 때문에, 소자 전압 정격도 1/4로 낮출 수 있게 된다.Also, as another feature of the present invention, the voltage rating of the switch and the diode can be lowered to 1/4 of that of the conventional high-voltage converter. In other words, the device voltage rating of the converter is equal to one of the output side capacitors. Since the output side capacitor voltage is about 1/4 of the output voltage, the device voltage rating can be reduced to 1/4 .
또한, 본 발명의 또 다른 특징으로서 별도의 제어 없이 전류 불평형이 발생하지 않는다. 즉, 종래의 2단 고승압 컨버터(도 2 및 도 3 참조)는 두 개의 스위치 래그가 하나의 커패시터(C1)를 제어하게 된다. 이로 인해 여러 불균형 요소들의 작용으로 인해 각 상에 불평형이 발생하게 된다. 그러나 본 발명에 따른 직류-직류 컨버터는 서로 다른 커패시터(C1, C3)를 독립적으로 제어하기 때문에, 불균형 요소가 존재하더라도 각각의 커패시터의 전압에 미세한 차이가 존재할 뿐, 각 상의 전류 불평형 정도는 되지 않는다.Further, as another feature of the present invention, current imbalance does not occur without separate control. That is, in the conventional two-stage high voltage step-up converter (see FIGS. 2 and 3), two switch lags control one capacitor C1. This causes imbalances in each phase due to the action of various imbalances. However, since the DC-DC converter according to the present invention controls the different capacitors C1 and C3 independently, even if there is an imbalance element, there is a slight difference in the voltage of each capacitor, .
도 8은 본 발명에 따른 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터를 병렬로 확장한 회로도이다. 도 5의 구성을 병렬로 확장한 구조이다.8 is a circuit diagram of a high boost soft switching DC-DC converter according to the present invention extended in parallel. And the structure of FIG. 5 is extended in parallel.
도 9는 본 발명의 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터를 양방향 동작 구조로 구현한 회로를 나타낸 것이다. 도 9는 도 5와 같은 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터의 구성 중 출력 전압을 부하측에 공급하기 위한 저항(RL)을 전원 단(VH)으로 대체하고, 도 5의 제1 내지 제4 다이오드(D11 ~ D14)를 스위칭 소자(S3, S4, S7, S8)로 대체하여, 양방향 직류-직류 컨버터를 구현한 것이다.FIG. 9 shows a circuit implementing a high boost soft switching DC-DC converter of the present invention in a bidirectional operation structure. FIG. 9 is a circuit diagram of a high-boost soft-switching DC-DC converter as shown in FIG. 5, in which a resistor R L for supplying an output voltage to a load side is replaced by a power supply stage V H , And the diodes D11 to D14 are replaced with the switching elements S3, S4, S7 and S8 to realize a bi-directional DC-DC converter.
도 9와 같이 구성된 양방향 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터는, 저전압 전원(VL), 상기 저전압 전원에 연결된 제1 및 제2 저전압 측 회로부, 고전압 전원(VH), 상기 고전압 전압에 연결된 제1 및 제2 고전압 측 회로부, 상기 제1 및 제2 저전압 측 회로부와 상기 제1 및 제2 고전압 측 회로부를 연결하는 제1 및 제2 보조 회로부를 포함한다.The bidirectional high boosting soft switching DC-DC converter configured as shown in FIG. 9 includes a low voltage power supply (V L ), first and second low voltage side circuit portions connected to the low voltage power supply, a high voltage power supply (V H ) 1 and a second high voltage side circuit portion, and first and second auxiliary circuit portions connecting the first and second low voltage side circuit portions to the first and second high voltage side circuit portions.
상기 제1 저전압 측 회로부는 서로 직렬로 연결된 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2)로 구성된 저전압측 스위치 레그와, 일단이 상기 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2) 사이의 접점에 연결된 제1인덕터(Lf1)를 구비하되, 상기 제1인덕터(Lf1)와 제1스위치(S1)는 저전압 전원(VL)에 순차적으로 직렬 연결된다.The first low voltage side circuit unit includes a low voltage side switch leg composed of a first switch S1 and a second switch S2 connected in series to each other and a low voltage side switch leg having one end connected between the first switch S1 and the second switch S2 The first inductor Lf1 and the first switch S1 are connected in series to the low voltage power supply V L in order.
상기 제2 저전압 측 회로부는 서로 직렬로 연결된 제5스위치(S5)와 제6스위치(S6)로 구성된 저전압측 스위치 레그와, 일단이 상기 제5스위치(S5)와 제6스위치(S6) 사이의 접점에 연결된 제2인덕터(Lf2)를 구비하되, 상기 제2인덕터(Lf2)와 제5스위치(S5)는 저전압 전원(VL)에 순차적으로 직렬 연결된다.The second low-voltage side circuit unit includes a low-voltage side switch leg composed of a fifth switch (S5) and a sixth switch (S6) serially connected to each other and a low-voltage side switch leg having one end connected between the fifth switch (S5) And the second inductor Lf2 and the fifth switch S5 are sequentially connected in series to the low voltage power supply V L.
또한, 상기 제1 고전압 측 회로부는 상기 고전압 전원(VH)에 순차적으로 직렬 연결된 제1커패시터(C1) 및 제2커패시터(C2)와, 상기 제2커패시터(C2)의 양단에 병렬로 연결되고 서로 직렬로 연결된 제3스위치(S3) 및 제4스위치(S4)로 구성된 고전압측 스위치 레그를 구비하되, 상기 제1스위치(S2)의 일단이 제1커패시터(C1)와 제2커패시터(C2) 사이의 접점에 연결된다.In addition, the first higher-voltage circuit portion and the first capacitor (C1) and second capacitor (C2) connected in series in sequence to the high-voltage power supply (V H), and connected in parallel to both ends of the second capacitor (C2) Voltage side switch leg comprising a third switch S3 and a fourth switch S4 connected in series with each other, wherein one end of the first switch S2 is connected to the first capacitor C1 and the second capacitor C2, Respectively.
아울러 상기 제2 고전압 측 회로부는 상기 고전압 전원(VH)에 순차적으로 직렬 연결된 제3커패시터(C3) 및 제4커패시터(C4)와, 상기 제4커패시터(C4)의 양단에 병렬로 연결되고 서로 직렬로 연결된 제7스위치(S7) 및 제8스위치(S8)로 구성된 고전압측 스위치 레그를 구비하되, 상기 제7스위치(S7)의 일단이 제3커패시터(C3)와 제4커패시터(C4) 사이의 접점에 연결된다.The second high voltage side circuit unit includes a third capacitor C3 and a fourth capacitor C4 sequentially connected in series to the high voltage power supply V H and a second capacitor C4 connected in parallel at both ends of the fourth capacitor C4, Voltage side switch leg composed of a seventh switch S7 and an eighth switch S8 connected in series and one end of the seventh switch S7 is connected between the third and fourth capacitors C3 and C4 Respectively.
아울러 상기 제1 보조 회로부는 상기 제3스위치(S3)와 제4스위치(S4) 사이의 접점과 상기 제1스위치(S1) 및 제2스위치(S2) 사이에 있는 접점 사이에 연결되고, 서로 직렬로 연결된 제1 보조 커패시터(Ca1)와 제1보조 인덕터(La1)를 구비한다.The first auxiliary circuit part is connected between a contact point between the third switch S3 and the fourth switch S4 and a contact between the first switch S1 and the second switch S2, And a first auxiliary inductor L a1 connected to the first auxiliary capacitor C a1 .
그리고 상기 제2 보조 회로부는 상기 제7스위치(S7)와 제8스위치(S8) 사이의 접점과 상기 제5스위치(S5) 및 제6스위치(S6) 사이에 있는 접점 사이에 연결되고, 서로 직렬로 연결된 제2 보조 커패시터(Ca2)와 제2보조 인덕터(La2)를 구비한다.The second auxiliary circuit part is connected between a contact point between the seventh switch S7 and the eighth switch S8 and a contact point between the fifth switch S5 and the sixth switch S6, And a second auxiliary inductor L a2 connected to the second auxiliary capacitor C a2 .
이때, 상기 저전압 전원(VL)은 충방전이 가능한 배터리이고, 상기 고전압 전원(VH)은 하이브리드 자동차를 구동하기 위한 DC/AC 인버터(모터 드라이버)의 입력 전원이다. 여기서 각각의 스위치(S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8)는 통상의 IGBT나 MOSFET을 이용할 수 있으며, 그 외에 스위치 역할을 할 수 있는 다양한 스위치로도 구현할 수 있다. 스위치 구현에 관한 기술은 공지된 기술이기 때문에 여기에서는 상세한 설명을 생략한다.At this time, the low voltage power source (V L ) is a chargeable and dischargeable battery, and the high voltage power source (V H ) is an input power source of a DC / AC inverter (motor driver) for driving the hybrid vehicle. In this case, each of the switches S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, and S8 may use a conventional IGBT or MOSFET, or may be implemented with various switches capable of acting as switches. Since the technique for implementing the switch is a known technique, a detailed description thereof will be omitted here.
이와 같이 구성된 양방향 승압 컨버터는 고전압 전원(VH) 측의 모터가 구동시 저전압 전원(VL)인 배터리의 방전이 이루어지는 부스트 동작(Boost Mode)과, 상기 모터의 회생에너지를 이용하여 상기 배터리를 충전하는 벅 동작(Buck Mode)을 수행할 수 있게 된다.The bidirectional voltage-up converter having the above-described configuration includes a boost operation mode in which a battery of the low voltage power supply V L is discharged when the motor on the high voltage power supply V H side is driven, It is possible to perform the buck operation (Buck Mode) for charging.
한편, 본 발명에 따른 양방향 승압 컨버터의 상기 제1스위치(S1) 내지 제8스위치(S8)는 도면에는 도시하지 않았지만 저전압 전원(VL)과 고전압 전원(VH)의 전압을 검출하는 전압 검출부의 출력을 이용하는 제어부에서 듀티를 제어함으로써 각 스위치들의 동작을 제어한다.The first switch S1 to the eighth switch S8 of the bidirectional voltage-up converter according to the present invention are connected to a voltage detecting unit (not shown) for detecting the voltages of the low voltage power supply V L and the high voltage power supply V H And controls the operation of each of the switches by controlling the duty in the control unit using the output of the switch.
즉, 본 발명에 따른 양방향 승압 컨버터에서 상기 제어부는 양방향 승압 컨버터가 CCM으로 동작하는 경우, 적어도 하나의 스위치가 자연스럽게 영전압 스위칭을 수행하도록 상기 제1스위치(S1) 내지 제8스위치(S8)의 동작을 제어하는데, 더욱 구체적으로는 상기 제어부는 한 주기 동안 상기 제1스위치(S1)와 제3스위치(S3)가 각각 제2스위치(S2)와 제4스위치(S4)에 대해 비대칭 상보적 스위칭에 의한 듀티를 갖도록 제어한다. 아울러 제어부는 한 주기 동안 상기 제5스위치(S5)와 제7스위치(S7)가 각각 제6스위치(S6)와 제8스위치(S8)에 대해 비대칭 상보적 스위칭에 의한 듀티를 갖도록 제어한다.That is, in the bidirectional step-up converter according to the present invention, when the bidirectional step-up converter operates as CCM, the control unit switches the first switch S1 to the eighth switch S8 so that at least one switch naturally performs the zero- The control unit controls the first switch S1 and the third switch S3 to switch the second switch S2 and the fourth switch S4 asymmetric complementary switching And the duty of the control signal. In addition, the control unit controls the fifth switch S5 and the seventh switch S7 to have a duty by asymmetric complementary switching for the sixth switch S6 and the eighth switch S8 during one period.
이때, 상보적 스위칭에 의한 듀티라 함은, 한 주기 동안 저 전압측 회로부의 각 스위치(S1,S2)(S6,S6)의 전체 듀티를 1이라고 하고 상기 저전압측 회로의 주스위치가 제1 및 제5스위치(S1)(S5)인 경우에 있어서, 상기 제1 및 제5 스위치(S1)(S5)가 D라는 듀티를 가지도록 제어되면 보조스위치인 제2 및 제6스위치(S2)(S6)는 (1-D)라는 듀티를 가지게 되는 것을 의미한다.The duty by complementary switching means that the total duty of each of the switches S1, S2 (S6, S6) of the low voltage side circuit unit is 1 during one period and the duty of the main switch of the low voltage side circuit is 1 When the first and fifth switches S1 and S5 are controlled to have a duty of D in the case of the fifth switches S1 and S5, the second and sixth switches S2 and S6 ) Has a duty of (1-D).
또한, 상기 경우에 있어서 양 스위치는 서로 겹치는 동작시간이 없도록 제어되는데, 즉 제1스위치(S1)가 턴온 되면 제2스위치(S2)가 턴오프 되고 제1스위치(S1)가 턴오프 되면 제2스위치(S2)가 턴온 된다. In this case, both switches are controlled so as not to overlap each other. That is, when the first switch S1 is turned on, the second switch S2 is turned off and the first switch S1 is turned off, The switch S2 is turned on.
따라서, 본 발명에 따른 양방향 승압 컨버터의 제어부는 전압 검출부의 출력을 이용하여 구해지는 전압 전달비와 미리 설정된 전압전달비를 비교한 후, 구해진 전압전달비가 더 큰 경우이면 유효 듀티를 감소시키고 그 반대인 경우이면 유효 듀티를 증가시키는 방식으로 각 스위치의 동작을 제어하게 되는 것이다.Therefore, the controller of the bidirectional voltage-up converter according to the present invention compares the voltage transfer ratio obtained using the output of the voltage detector with a preset voltage transfer ratio, and if the obtained voltage transfer ratio is larger, the effective duty is reduced, The operation of each switch is controlled in such a manner that the effective duty is increased.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
Although the present invention has been described in detail with reference to the above embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the spirit of the present invention.
본 발명은 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터에 적용된다. 특히, 입력된 직류 전압으로 고승압비로 승압하고자 하는 직류-직류 컨버터에 효과적으로 적용된다.
The present invention is applied to a high boost soft switching DC-DC converter. In particular, it is effectively applied to a DC-DC converter which intends to boost the input DC voltage to a high boost ratio.
10: 제1승압부
11: 제1 필터 인덕터
12: 제1 스위칭부
13: 제1 보조회로
20: 제2 승압부
21: 제2 필터 인덕터
22: 제2 스위칭부
23: 제2 보조회로10: First boost unit
11: first filter inductor
12:
13: first auxiliary circuit
20:
21: second filter inductor
22: a second switching unit
23: Second auxiliary circuit
Claims (15)
상기 제1 승압부의 출력 및 상기 제2 승압부의 출력과 입력 전압을 직렬로 결합하여 출력전압으로 부하 측에 공급하며,
상기 제1 승압부는 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하기 위한 제1 필터 인덕터; 게이트로 입력되는 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하여 상기 제1 필터 인덕터의 출력 전압을 스위칭하는 제1 스위칭부; 상기 제1 스위칭부의 상보적인 온/오프를 통해 출력된 전압을 체배하고 정류하여 출력하는 제1 보조 회로를 포함하고,
상기 제1 보조 회로는 상기 제1 필터 인덕터의 출력과 연결되는 제1 보조 커패시터; 상기 제1 필터 인덕터와 결합하여 상기 제1 및 제2 스위칭 소자가 소프트 스위칭하도록 하는 제1 보조 인덕터; 상기 제1 보조 인덕터의 출력 전압 및 상기 제1 및 제2 스위칭 소자의 출력 전압을 정류하는 제1 및 제2 다이오드; 정류된 전압과 역방향 입력 전압을 충전하는 제1 및 제2 커패시터를 포함하며,
상기 제2 승압부는 공급 전원에 포함된 고주파 성분을 제거하기 위한 제2 필터 인덕터; 게이트로 입력되는 제어 신호에 의해 상보적으로 동작하여 상기 제2 필터 인덕터의 출력 전압을 스위칭하는 제2 스위칭부; 상기 제2 스위칭부의 상보적인 온/오프를 통해 출력된 전압을 체배하고 정류하여 출력하는 제2 보조 회로를 포함하고,
상기 제2 보조 회로는 상기 제2 필터 인덕터의 출력과 연결되는 제2 보조 커패시터; 상기 제2 필터 인덕터와 결합하여 상기 제3 및 제4 스위칭 소자가 소프트 스위칭하도록 하는 제2 보조 인덕터; 상기 제2 보조 인덕터의 출력 전압 및 상기 제3 및 제4 스위칭 소자의 출력 전압을 정류하는 제3 및 제4 다이오드; 정류된 전압과 역방향 입력 전압을 충전하는 제3 및 제4 커패시터를 포함하며,
출력 측에 구비된 상기 제1 내지 제4 커패시터 하나 당 입력전압의 2배의 전압을 충전하며, 상기 제1 내지 제4 커패시터의 출력과 직렬로 역방향의 입력전압의 결선에 의해 입력 전압을 7배로 승압하며,
상기 제1 내지 제4 커패시터를 통해 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자 및 제1 내지 제4 다이오드의 소자 전압 경격을 낮추어 상기 복수 스위칭 소자 및 복수 다이오드에서 발생하는 손실을 최소화하는 것을 특징으로 하는 고승압 소프트 스위칭 직류-직류 컨버터.
A first boosting unit for removing high frequency components included in the input power supply, performing complementary switching of the voltage from which high frequency components have been removed through a plurality of switching elements in one cycle, and outputting voltage by voltage multiplication and rectification; A high frequency component removed from the input power source is connected in parallel with the first voltage step-up unit, the high frequency component removed voltage is subjected to complementary switching in one cycle through a plurality of switching elements, And a second step-up unit for outputting the output signal,
An output of the first step-up unit and an output of the second step-up unit and an input voltage are serially combined and supplied to the load side as an output voltage,
Wherein the first voltage step-up unit includes: a first filter inductor for removing a high-frequency component included in the power supply; A first switching unit that operates complementarily with a control signal input to the gate to switch the output voltage of the first filter inductor; And a first auxiliary circuit for multiplying and rectifying and outputting a voltage output through complementary on / off of the first switching unit,
The first auxiliary circuit having a first auxiliary capacitor connected to an output of the first filter inductor; A first auxiliary inductor coupled to the first filter inductor to cause the first and second switching elements to perform soft switching; First and second diodes for rectifying an output voltage of the first auxiliary inductor and an output voltage of the first and second switching elements; And first and second capacitors for charging the rectified voltage and the reverse input voltage,
A second filter inductor for removing a high frequency component included in the power supply; A second switching unit that operates complementarily with a control signal input to the gate to switch an output voltage of the second filter inductor; And a second auxiliary circuit for multiplying and rectifying and outputting a voltage output through complementary on / off of the second switching unit,
A second auxiliary capacitor connected to the output of the second filter inductor; A second auxiliary inductor coupled to the second filter inductor to allow the third and fourth switching devices to perform soft switching; Third and fourth diodes for rectifying the output voltage of the second auxiliary inductor and the output voltage of the third and fourth switching elements; And third and fourth capacitors charging the rectified voltage and the reverse input voltage,
The first to fourth capacitors of the first to fourth capacitors are charged with a voltage twice the input voltage, and the input voltage is connected to the output of the first to fourth capacitors in series in the reverse direction, In addition,
Wherein the first to fourth switching elements and the first to fourth diodes are reduced in device element voltage through the first to fourth capacitors to minimize the loss occurring in the plurality of switching elements and the plurality of diodes. Soft-switching DC-DC converters.
The high-boost soft switching DC-DC converter according to claim 1, wherein the output voltage is determined by a difference between an input voltage connected in a direction opposite to a sum of output voltages of the first voltage boosting unit and the second voltage boosting unit.
The high voltage soft switching DC-DC converter according to claim 1, wherein the first switching unit includes first and second switching elements connected in parallel with the first filter inductor and operated in a complementary manner by a control signal. Converter.
The high-pressure soft-switching DC-DC converter according to claim 1, wherein the second switching unit includes third and fourth switching elements that are connected in parallel with the second filter inductor and operate in a complementary manner by a control signal. Converter.
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