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KR20070103577A - 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터 - Google Patents

풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터 Download PDF

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KR20070103577A
KR20070103577A KR1020060035323A KR20060035323A KR20070103577A KR 20070103577 A KR20070103577 A KR 20070103577A KR 1020060035323 A KR1020060035323 A KR 1020060035323A KR 20060035323 A KR20060035323 A KR 20060035323A KR 20070103577 A KR20070103577 A KR 20070103577A
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KR
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transformer
converter
voltage
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권봉환
권정민
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학교법인 포항공과대학교
포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 예를 들어 1KW급 이상의 큰 용량에도 사용할 수 있는 풀-브릿지 능동 클램프 회로(full-bridge active clamp circuit)를 이용하여 주스위치 도통 및 소거 시 변압기의 누설인덕턴스에 저장된 에너지에 의해서 일차측 스위치들이 영전압 스위칭(zero-voltage switching)을 하여 고속 스위칭으로 인한 전력손실을 줄일 수 있는 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명은, 변압기에 의해 구분되는 일차측 회로부와 이차측 회로부를 포함하며; 상기 일차측 회로부는 풀-브릿지 능동 클램프 회로부로서 입력 콘덴서(Cd)와, 2개의 주스위치(S1, S2), 2개의 부스위치(S3, S4) 및 클램프 콘덴서(Cc)를 구비하여 이루어지고; 상기 이차측 회로부는 출력전압을 정류하기 위한 출력 정류 회로부인 것을 특징으로 한다.

Description

풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터{Full-bridge active clamp dc-dc converter}
도 1은 본 발명에 따른 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터의 회로 구성도.
도 2a는 본 발명에 따른 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터의 제1 실시예의 회로 구성도.
도 2b는 본 발명에 따른 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터의 제2 실시예의 회로 구성도.
도 3a는 도 2a에 도시된 스위치의 도통 시, 전파출력 직렬공진회로부의 등가회로 구성도.
도 3b는 도 2a에 도시된 스위치의 소거 시, 전파출력 직렬공진회로부의 등가회로 구성도.
도 4는 도 2a에 도시된 본 발명의 제1 실시예의 동작을 나타내는 파형도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100...풀-브릿지 능동 클램프 회로부
200...출력정류 회로부
200a...전파출력 직렬공진 회로부
200b...다이오드 정류 전류-더블러 회로부
300...출력전압 제어회로부
본 발명은 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터에 관한 것으로서, 더 상세하게는 예를 들어 1KW급 이상의 큰 용량에도 사용할 수 있는 풀-브릿지 능동 클램프 회로(full-bridge active clamp circuit)를 이용하여 주스위치 도통 및 소거 시 변압기의 누설인덕턴스에 저장된 에너지에 의해서 일차측 스위치들이 영전압 스위칭(zero-voltage switching)을 하여 고속 스위칭으로 인한 전력손실을 줄일 수 있는 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터에 관한 것이다.
한편, 본 발명은 스위치에 대한 전압 스트레스를 입력전압의 최대값보다 낮게 할 수 있어 최대 입력전압보다 내압이 낮은 스위치를 사용할 수 있게 하는 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터에 관한 것이다.
당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 종래의 플라이백 컨버터(flyback converter) 및 포워드 컨버터(forward converter)와 같은 스위칭 컨버터들은, 스위칭 동작 시 누설인덕턴스(leakage inductance) 또는 자화인덕턴스(magnetizing inductance)에 저장된 에너지의 방전 경로를 형성해 주기 위해 능동 클램프(active clamp) 회로를 사용한다. 예를 들어, 하나의 부(副) 스위치와 하나의 콘덴서로 구성된 능동 클램프 회로는 주(主) 스위치 소거 시 동작하여 누설인덕턴스 또는 자화 인덕턴스에 저장된 에너지로 인한 스위칭 소자의 망실을 방지하고 에너지를 재활용함으로써 전력변환효율의 향상을 꾀할 수 있다.
그러나, 종래의 스위칭 컨버터에 있어서, 스위치의 전압 스트레스가 입력전압의 최대값 보다 더 크기 때문에 입력전압 보다 내압이 높은 스위치를 사용해야 하는 단점이 있으며 전력증가에도 한계가 있었다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 예를 들어 1KW급 이상의 큰 용량에도 사용할 수 있는 풀-브릿지 능동 클램프 회로(full-bridge active clamp circuit)를 이용하여 주스위치 도통 및 소거 시 변압기의 누설인덕턴스에 저장된 에너지에 의해서 일차측 스위치들이 영전압 스위칭(zero-voltage switching)을 하여 고속 스위칭으로 인한 전력손실을 줄일 수 있는 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 스위치에 대한 전압 스트레스를 입력전압의 최대값보다 낮게 할 수 있어 최대 입력전압보다 내압이 낮은 스위치를 사용할 수 있게 하는 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터를 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 직류-직류 컨버터에 있어서, 변압기에 의해 구분되는 일차측 회로부와 이차측 회로부를 포함하며; 상기 일 차측 회로부는 풀-브릿지 능동 클램프 회로부로서 입력 콘덴서(Cd)와, 2개의 주스위치(S1, S2), 2개의 부스위치(S3, S4) 및 클램프 콘덴서(Cc)를 구비하여 이루어지고, 상기 이차측 회로부는 출력전압을 정류하기 위한 출력 정류 회로부인 것을 특징으로 하는 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터가 제공된다.
바람직하게는, 상기 클램프 콘덴서(Cc)에 인가되는 전압(Vc)은 입력전압의 최대값 보다 낮다.
바람직하게는, 상기 클램프 콘덴서(Cc)는 상기 스위치(S1)(S4)의 드레인(drain)에 각각 연결된다.
바람직하게는, 상기 출력 정류 회로부는 상기 변압기의 이차측의 일단에 공통으로 연결되는 두개의 다이오드(D1, D2)와 상기 변압기의 이차측의 타단에 공통으로 연결되는 직렬공진 콘덴서(C1, C2)를 포함하여 이루어지는 전파출력 직렬공진회로이다.
바람직하게는, 상기 출력 정류 회로부는 상기 변압기의 이차측에 2개의 다이오드와 2개의 인덕터가 연결되는 다이오드 정류 전류-더블러 회로이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터의 회로 구성도이고, 도 2a는 본 발명에 따른 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터의 제1 실시예의 회로 구성도이고, 도 2b는 본 발명에 따른 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터의 제2 실시예의 회로 구성도이다. 도 3a는 도 2a에 도시된 스위치의 도통 시, 전파출력 직렬공진회로부의 등가회로 구성도이고, 도 3b는 도 2a에 도시된 스위치의 소거 시, 전파출력 직렬공진회로부의 등가회로 구성도이고, 도 4는 도 2a에 도시된 본 발명의 제1 실시예의 동작을 나타내는 파형도이다.
도 1을 참조하면, 이는 본 발명에 따른 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터로서, 변압기(T)의 일차측은 풀-브릿지 능동 클램프 회로부(100)로 구현되고 변압기(T)의 이차측은 출력정류 회로부(200)로 이루어진다. 풀-브릿지 능동 클램프 회로부(100)는 도시한 바와 같이 입력 콘덴서(Cd), 2개의 주스위치(S1, S2), 2개의 부스위치(S3, S4), 클램프 콘덴서(Cc) 및 변압기(T)를 포함하여 이루어진다. 이와 같은 풀-브릿지 능동 클램프 회로부(100)는 변압기(T)의 누설인덕턴스 또는 자화인덕턴스에 저장된 에너지로 인한 스위칭 소자의 망실을 방지하고 에너지를 재활용함으로써 전력변환효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 클램프 콘덴서(Cc)에 인가되는 전압(Vc)은 입력전압의 최대값 보다 낮기 때문에 스위치들의 전압 스트레스가 낮은 장 점이 있다.
도 1에서 클램프 콘덴서(Cc)가 스위치(S1, S4)의 드레인(drain)에 각각 연결되어 있지만, 또 다른 동일한 구현방법으로 클램프 콘덴서를 스위치(S4)의 드레인과 직류입력전압(Vd)의 음의 단자 사이에 연결하여도 동일하게 동작한다.
도 2a는 본 발명에 따른 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터의 제1 실시예로서, 도 1의 출력정류 회로부(200)가 전파출력 직렬공진회로부(200a)로 구현된 것을 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 컨버터에서 전파출력 직렬공진회로부(200a)가 사용하는 경우, 풀-브릿지 능동 클램프 회로부(100)는 변압기(T)의 누설인덕턴스에 저장된 에너지가 전달되고 재활용될 수 있는 경로를 제공한다. 상기한 전파출력 직렬공진회로부(200a)는 다이오드(D1, D2)와 직렬공진 콘덴서(C1, C2)를 포함하여 이루어지는 데, 이 전파출력 직렬공진회로부(200a)는 변압기(T)에 의해 풀-브릿지 능동 클램프 회로부(100)와 전기적으로 절연된다.
본 발명에 따른 컨버터의 출력전압(Vo)은, 기존에 널리 공지되어 있는 출력전압 제어회로부(300)로 궤환(feedback)되어 주스위치(S1, S2)의 시비율(duty ratio : 스위칭 시간에 대한 도통시간의 비율)을 조절함으로써 출력전압을 조절한다.
바람직하게 MOSFET으로 구현되는 주스위치(S1, S2)와 부스위치(S3, S4)는 도 4에 도시된 바와 같이 주어진 스위칭 시간(Ts)에서 상보적으로 구동된 다(asymmetrical PWM 방식). 주스위치(S1, S2) 도통 시, 변압기(T)의 누설인덕턴스와 콘덴서(C1, C2)가 직렬공진을 이루어 변압기(T)의 이차측으로 에너지를 전달한다. 주스위치(S1, S2) 소거 시에도 부스위치(S3, S4) 도통으로 인한 경로가 형성되어 주스위치 도통 시와 동일한 방법으로 변압기(T)의 누설인덕턴스는 콘덴서(C1, C2)와 직렬공진을 이루게 된다. 변압기(T)의 누설인덕턴스에 저장된 에너지에 의해서 변압기 일차측 스위치들은 영전압 스위칭을 하게 되어 고속 스위칭으로 인한 전력손실을 줄일 수 있다. 그리고, 스위치 도통, 소거 시 발생하는 직렬공진에 의해 이차측의 두 다이오드, 즉 전파출력 직렬공진회로부(200a)의 다이오드(D1, D2)는 영전류 스위칭(zero-current switching)을 하게 되어 다이오드의 역회복 특성으로 인한 전력손실을 제거한다.
상기와 같이 주스위치(S1, S2)의 도통 시 및 소거 시에 이루어지는 두 직렬공진에 의해 발생하는 정현파 전류파형은 변압기(T) 이차측의 전파출력 직렬공진회로부(200a)의 콘덴서(C1, C2)에 의해서 변압기(T)의 이차측에 흐르는 전류보다 낮은 피크전류를 갖는 전파전류파형을 생성하게 되어 출력콘덴서(Co)의 리플 특성 및 용량에 있어서 유리하다.
도 2a에 도시된 전파출력 직렬공진회로부(200a)에서 콘덴서 하나가 제거되면(즉, C1=0 혹은 C2=0), 반파출력 직렬공진회로가 되며 출력콘덴서에 반파전류파형 으로 전달되어 출력전압의 리플(ripple)은 증가하게 된다.
도 3a,b는 전파출력 직렬공진회로를 갖는 풀-브릿지 능동 클램프회로의 스위치 도통 및 소거 시의 등가회로를 나타낸다. 즉, 도 3a는 주스위치(S1, S2) 도통 시 변압기(T)의 누설인덕턴스와 변압기의 권선 비에 따른 콘덴서(C1, C2)에 의해 형성된 제1 직렬공진 등가회로를 나타내고, 도 3b는 주스위치(S1, S2) 소거 시 변압기(T)의 누설인덕턴스와 클램프 콘덴서(Cc) 및 권선 비에 따른 콘덴서(C1, C2)에 의해 형성된 제2 직렬공진 등가회로를 나타낸다.
도 4는 도 2a에 도시한 바와 같은 전파출력 직렬공진회로부를 채용한 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터의 동작을 나타내는 파형도를 나타낸다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 주스위치(S1, S2)와 부스위치(S3, S4)는 각각 하나의 쌍을 이루며 서로 상보적으로 동작한다. 변압기의 일차측 전류(ip)와 이차측 전류(is)는 주스위치(S1, S2) 도통 시 제1 직렬공진 등가회로(도 3a)에 의해서 제1 공진주파수(f1)를 갖는 공진전류파형을 생성한다. 반면, 주스위치(S1, S2) 소거 시에는 부스위치(S3, S4)가 도통되면서 제2 직렬공진 등가회로(도 3b)에 의해 제2 공진주파수(f2)를 갖는 또 다른 공진전류파형을 생성한다. 두 공진주파수(f1, f2)에 의해 만들어진 변압기 일차측의 전류파형은 스위치들의 영전압 스위칭을 가능케 한다. 또한 변압기 이차측의 공진주파수(f1, f2)에 의해서 만들어진 정현파 전류파형 은 다이오드(D1, D2)가 영전류 스위칭을 하도록 하여 다이오드의 역회복 문제로 인한 전력손실을 줄인다. 출력전류(io)는 다이오드와 공진 콘덴서에 흐르는 전류로 인해 전파정류된 전류파형으로 된다. 다른 예로, 등가적으로 콘덴서(C1) 또는 콘덴서(C2)만을 포함하는 회로를 구성하였을 경우, 다이오드(D1) 또는 다이오드(D2)의 전류가 그대로 출력콘덴서(Co)에 전달되어 상대적으로 전파출력보다 피크전류가 큰 반파로 정류된 전류파형을 얻어낼 수 있다. 이를 반파출력 직렬공진회로라고 할 수 있으며 전파출력 직렬공진회로에 비해서 출력콘덴서의 전압리플이 증가한다.
도 4에서 도면부호 (Vgs1, Vgs2)과 (Vgs1, Vgs2)는 각각 상기 주스위치 및 부스위치에 대한 게이트 구동신호를 나타내고, 도면부호 (Ic1, Ic2)는 각각 직렬 공진콘덴서(C1, C2)에 흐르는 전류를 나타낸다.
한편, 도 2b는 본 발명에 따른 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터의 제2 실시예의 구성도로서, 출력정류 회로부로서 다이오드 정류 전류-더블러 회로부(200b)를 채용한 것을 나타낸다.
도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 제2 실시예는 변압기(T)의 이차측이 다이오드(D1, D2)와 인덕터(L1, L2)를 포함하는 다이오드 정류 전류-더블러 회로부(200b)가 전파출력 직렬공진회로부(200a)를 대체한 것 이외에는 도 2a의 구성과 같다. 도 2b에서 두 인덕터(L1, L2)는 낮은 결합도(loosely coupling)를 가지거나 독립적인 두 인덕터로 사용될 수 있다. 이차측 다이오드(D1, D2)에 흐르는 전류는 구형파 형태로 흐르며, 이는 다이오드의 피크전류를 최소화하고 도통 손실을 줄이게 되어 저전압 출력에 유리하다. 도 2b에 도시된 본 발명에 따른 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터의 실시예는 두 인덕터로서 중간 탭이 있는 변압기를 이용할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터는, 예를 들어 1KW급 이상의 큰 용량에도 사용할 수 있는 풀-브릿지 능동 클램프 회로(full-bridge active clamp circuit)를 이용하여 주스위치 도통 및 소거 시 누설인덕턴스에 저장된 에너지에 의해서 일차측 스위치들이 영전압 스위칭(zero-voltage switching)을 하여 고속 스위칭으로 인한 전력손실을 줄일 수 있는 이점을 제공한다.
또한, 본 발명은 스위치에 대한 전압 스트레스를 입력전압의 최대값보다 낮게 할 수 있어 최대 입력전압보다 내압이 낮은 스위치를 사용할 수 있게 하는 이점을 제공한다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예 들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

Claims (6)

  1. 직류-직류 컨버터에 있어서,
    변압기에 의해 구분되는 일차측 회로부와 이차측 회로부를 포함하며,
    상기 일차측 회로부는 풀-브릿지 능동 클램프 회로부로서 입력 콘덴서(Cd)와, 2개의 주스위치(S1, S2), 2개의 부스위치(S3, S4) 및 클램프 콘덴서(Cc)를 구비하여 이루어지고,
    상기 이차측 회로부는 출력전압을 정류하기 위한 출력 정류 회로부인 것을 특징으로 하는 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 클램프 콘덴서(Cc)에 인가되는 전압(Vc)은 입력전압의 최대값 보다 낮은 것을 특징으로 하는 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 클램프 콘덴서(Cc)는 상기 스위치(S1)(S4)의 드레인(drain)에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 출력 정류 회로부는 상기 변압기의 이차측의 일단에 공통으로 연결되는 두개의 다이오드(D1, D2)와 상기 변압기의 이차측의 타단에 공통으로 연결되는 직렬공진 콘덴서(C1, C2)를 포함하여 이루어지는 전파출력 직렬공진회로인 것을 특징으로 하는 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 출력 정류 회로부는 상기 변압기의 이차측에 2개의 다이오드와 2개의 인덕터가 연결되는 다이오드 정류 전류-더블러 회로인 것을 특징으로 하는 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 2개의 인덕터는 중간 탭이 있는 변압기인 것을 특징으로 하는 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터.
KR1020060035323A 2006-04-19 2006-04-19 풀-브릿지 능동 클램프 직류-직류 컨버터 KR100772659B1 (ko)

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