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KR20110110805A - Ｄｃ/ｄｃ-변환기 및 ａｃ/ｄｃ-변환기 - Google Patents

Ｄｃ/ｄｃ-변환기 및 ａｃ/ｄｃ-변환기 Download PDF

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KR20110110805A
KR20110110805A KR1020117018972A KR20117018972A KR20110110805A KR 20110110805 A KR20110110805 A KR 20110110805A KR 1020117018972 A KR1020117018972 A KR 1020117018972A KR 20117018972 A KR20117018972 A KR 20117018972A KR 20110110805 A KR20110110805 A KR 20110110805A
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KR
South Korea
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converter
parallel
inverters
rectifiers
transformer
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Ceased
Application number
KR1020117018972A
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English (en)
Inventor
악셀 크라우제
Original Assignee
브루사 일렉트로닉 아게
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 브루사 일렉트로닉 아게 filed Critical 브루사 일렉트로닉 아게
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Abstract

본 발명은 병렬 또는 직렬 접속된 n개의 양극 인버터(2a, 2b), n개의 트랜스포머(Ta, Tb), 그리고 병렬 또는 직렬 접속된 n개의 양극 정류기(3a, 3b)를 구비한 DC/DC-변환기(1)와 관련이 있다. 이 경우에는 각각 하나의 인버터(2a, 2b) 및 각각 하나의 전류기(3a, 3b)가 트랜스포머(Ta, Tb)에 연결되어 있다. 인버터(2a, 2b, 2a', 2b')는 재차 제어 장치에 연결되어 있으며, 상기 제어 장치는 인버터(2a, 2b, 2a', 2b')를 주파수-동기적인 방식으로 그리고 180°/n 위상 변위된 상태로 제어하기 위해서 제공된다. 본 발명에 따르면, 트랜스포머(Ta, Tb, Ta', Tb')의 누설 인덕턴스(LS1, LS2)는 인버터(2a, 2b, 2a', 2b')의 커패시터(C1, C2) 및/또는 정류기(3a, 3b, 3a', 3b')의 커패시터(C3, C4)와 함께 각각 하나의 진동 회로를 형성하고, 상기 진동 회로의 공진 주파수 크기는 실제로 제어 신호의 클럭 주파수 크기보다 두 배만큼 더 크다. 본 발명은 또한 입력 측에 연결된 AC/DC-단(5)을 구비한 본 발명에 따른 DC/DC-변환기(1)를 포함하는 AC/DC-변환기(6)와도 관련이 있다.

Description

ＤＣ/ＤＣ-변환기 및 ＡＣ/ＤＣ-변환기{DC/DC-CONVERTER AND AC/DC-CONVERTER}
본 발명은 병렬 또는 직렬 접속된 다수 개의 양극 인버터, 다수 개의 트랜스포머 그리고 병렬 또는 직렬 접속된 다수 개의 양극 정류기를 구비한 DC/DC-변환기에 관한 것이다. 이 경우 각각 하나의 인버터는 각각 하나의 트랜스포머의 1차 측에 연결되고, 각각 하나의 인버터는 각각 하나의 트랜스포머의 2차 측에 연결된다. 또한, 상기 인버터들은 제어 장치에 연결되어 있고, 상기 제어 장치는 제어 신호를 이용해서 인버터를 주파수-동기적인 방식으로 그리고 180°/n 위상 변위된 방식으로 제어하기 위해서 제공되며, 이 경우 n은 트랜스포머의 개수를 지시한다. 본 발명은 또한 AC/DC-변환기와도 관련이 있다.
DC/DC-변환기("직류 조절기"로도 불림)가 주기적인 스위칭에 의해서 일정한 입력 전압을 변환함으로써, 결과적으로 출력부에서는 산술적인 수단에 의해 다른 전압 값이 생성된다. 기본 유형은 강압형 변환기(출력 전압이 입력 전압보다 더 작음), 승압형 변환기(출력 전압이 입력 전압보다 더 큼) 그리고 인버터(출력 전압이 입력 전압에 대하여 (-) 부호를 가짐)이다.
AC/DC-변환기는 입력 측의 교류 전압을 출력 측의 직류 전압으로 변환하며, 이 경우 직류 전압은 일반적으로 교류 전압의 유효값과 다르다. AC/DC-변환기는 예컨대 교류 전압 망에 있는 전자 장치에 전력을 공급할 수 있는 전원 장치의 형태로 널리 보급되어 있다. 더 나아가 AC/DC-변환기는 정류기의 형태로도 존재한다.
변환기의 추가의 한 예는 독일 공개 특허 출원서 제 100 51 156 A1호에 개시되어 있으며, 상기 간행물은 1차 측 및 2차 측이 파워 전자식 변환기에 연결된 트랜스포머를 이용해서 변환을 야기하는 중간 주파수의 에너지를 전달하기 위한 변환기 회로를 보여준다. 이 경우에는 상호 독립적으로 제어 가능하고 단핵(one core) 트랜스포머의 각각 하나의 부분 권선에 연결된 두 개 이상의 변환기가 교대로 클럭 제어되며, 이 경우 상기 변환기는 예컨대 트랜스포머의 파워 밀도를 높이기 위하여 반대 극성의 양극성 전압 펄스를 연속으로 발생시키거나 또는 단극성 전압 펄스를 교대로 발생시킨다.
유럽 공개 특허 출원서 제 1 227 571 A2호는 또한 컨버터 부분, 트랜스포머 및 정류기 부분을 구비한 DC/DC-변환기를 개시하고 있다. 두 세트의 컨버터 부분은 완전 브리지-구성으로 연결된 두 쌍의 제 1 스위칭 소자 그리고 두 쌍의 추가 제 2 스위칭 소자를 포함한다. 컨버터 부분과 트랜스포머 사이에는 직렬 커패시터가 배치되어 있다. 상기 제 1 스위칭 소자의 스위칭 포인트들은 상기 제 2 스위칭 소자의 스위칭 포인트들에 대하여 1/3n 주기만큼 위상 변위되어 있다. 그와 달리 상기 컨버터 부분의 스위칭 소자의 스위칭 포인트들은 상호 1/2n 주기만큼 위상 변위되어 있다.
마지막으로 유럽 공개 특허 출원서 제 1 391 982 A2호는 직류 전압 소스의 공급 전압을 교류 전압으로 변환하기 위한 한 쌍의 컨버터 회로 부분을 구비한 회로를 개시하고 있다. 상기와 같은 변환은 완전 브리지 형태로 구성된 두 쌍의 스위칭 소자에 의해서 이루어지며, 상기 두 쌍의 스위칭 소자는 직류 전압 소스 및 정류기 부분에 대하여 병렬로 배치되어 있고, 트랜스포머를 통해서 각각 하나의 컨버터 회로 부분의 출력부로 가이드 된다. 컨버터 회로 부분과 트랜스포머 사이에는 직렬 커패시터가 평활 유닛으로서 배치되어 있다. 상기 각각의 평활 유닛의 하나의 정류기 부분의 트랜스포머의 2차 측은 N개 그룹의 평활 유닛 안에서 직렬로 접속되어 있다. 또한, 다른 정류기 부분의 2차 측도 N개 그룹의 평활 유닛 안에서 직렬로 접속되어 있다.
DC/DC-변환기는 예를 들어 자동차-공학 분야에서 장치가 배터리로 작동되는 경우에 통상적으로 12볼트의 보드 전압이 다른 직류 전압으로 변환되어야만 하는 경우에, 그리고 배터리- 또는 축전 전압이 전자 회로에 의해서 필요한 전압과 같지 않은 경우에 사용될 수 있거나, 또는 전기 구동-공학 분야와 같은 거의 모든 공학 분야에 사용될 수 있다.
특별히 DC/DC-변환기는 AC/DC-단과 조합된 형태로도 사용되며, 이 경우 교류전압(유럽에서는 통상적으로 230 V AC)은 중간 회로 전압(직류 전압)으로 변환되고, 그 다음에 종종 임의로 높게 또는 낮게 발생할 수 없는 상기 중간 회로 전압은 DC/DC-변환기에 의해서 원하는 레벨로 된다.
AC/DC-변환기의 중요한 적용 분야는 다른 무엇보다도 전기 회로 망에 있는 축전지 혹은 배터리의 충전으로서, 이와 같은 충전은 사람의 이동성이 지속적으로 증가하고 그와 관련된 전기 및 전자 장치의 이동식 작동 때문에 점점 더 중요해진다. 특별히 전기식으로 구동되는 자동차도 배터리-충전 장치에 대하여 완전히 새로운 요구 사항들을 제기하고 있는데, 그 이유는 한 편으로는 상대적으로 더 큰 파워 밀도 그리고 그로 인한 상대적으로 더 신속한 충전 때문에 충전이 (가정에서 통용되는) 단상 회로 망에서 가능해야만 할 뿐만 아니라 다른 한 편으로는 3상 회로 망에서도 가능해야만 하기 때문이다. 따라서, - 배터리 전압이 일정하기 때문에 - 선간 전압(유럽에서는 단상 회로 망의 경우에는 230 V AC 그리고 3상 회로 망의 경우에는 400 V AC)에서 나타나는 상이한 점들이 회로 기술적으로 고려되어야만 한다. 또한, 비교적 높은 에너지 내용(최후에 차량의 도달 거리를 결정함)도 가급적 짧은 시간 안에 전기 회로 망으로부터 배터리 내부로 전달되어야만 한다.
DC/DC-변환기 및/또는 AC/DC-변환기의 부분적으로 상당히 큰 파워는 종래의 구조적 형상에서는 유감스럽게도 부하(예컨대 배터리)에서 비교적 높은 파워-리플(power-ripple)을 야기한다. 그러나 전력 공급 측에 미치는 반작용, 다시 말해 예컨대 전력을 공급하는 전기 회로 망 내부에 미치는 반작용도 문제가 될 수 있다. 이와 같은 반작용은 예를 들어 스위칭 과정들 또는 비선형의 사용자 장치에 의해서, 특히 트랜지스터 및 사이리스터와 같은 파워 전자 장치의 부품들에 의해서 야기되는 과도한 과정들에서 발생할 수 있다.
본 발명의 과제는 변환기에 연결된 부하에서의 파워-리플 및/또는 전력 공급 측 반작용이 감소된 DC/DC-변환기 및/또는 AC/DC-변환기를 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따른 특허 청구항 1의 특징들을 갖는 DC/DC-변환기 그리고 특허 청구항 8의 특징들을 갖는 AC/DC-변환기에 의해서 해결된다.
특허 청구항 1에 따르면, 서문에 언급된 유형의 본 발명에 따른 DC/DC-변환기는 추가로 트랜스포머의 누설 인덕턴스가 인버터의 커패시터 및/또는 정류기의 커패시터와 함께 각각 하나의 진동 회로를 형성하고, 상기 진동 회로의 공진 주파수는 실제로 제어 신호의 클럭 주파수 크기보다 두 배만큼 더 크다는 장점을 갖는다.
특허 청구항 8에 따르면, 본 발명에 따른 AC/DC-변환기는 전력 공급 측에 AC/DC-단을 구비하는 본 발명에 따른 DC/DC-변환기를 포함한다.
상기 회로에 의해서는 - 추후에 도시되는 바와 같이 - 부하 측 파워-리플 및/또는 전력 공급 측 반작용(예컨대 회로 망 반작용)이 효과적으로 줄어든다. 그렇기 때문에 본 발명에 따른 변환기는 특히 서문에 언급된 목적에 적합하지만, 상기 변환기의 적용은 결과 상기 분야에만 제한되지 않는다. 회로 망의 반작용이 줄어들기 때문에 특히 파워가 매우 강한 (예컨대 전동차용) 배터리-충전 장치가 구현될 수 있으며, 이와 같은 충전 장치에서는 부하에서의 파워-리플이 - 피할 수는 없더라도 - 적어도 줄어들고, 최대 회로 망 반작용과 관련된 에너지 공급 회사들의 규정들이 충족된다.
본 발명에 따르면, 커패시터에서는 직류 전압에 중첩되고 180°만큼 위상 변위된 사인파 형태의 교류 전압이 나타난다. 이와 같은 사실로부터 '전류의 제로 통과시에 정류기 또는 인버터의 전환이 이루어진다'는 장점이 얻어지며, 이와 같은 장점은 실제로 스위칭 손실을 제거하고, 전자기적인 방해를 최소로 줄여준다. 인버터 또는 정류기의 직렬 회로에서는 위상 변위된 교류 전압이 보상됨으로써 결과적으로는 실제로 리플이 없는 직류 전압이 얻어진다. 이와 같은 관계에서 "실제로"라는 용어는 직류 전압에 중첩된 교류 전압의 엔지니어에 따라 허용 가능한 레벨에서 규정된다. 트랜스포머의 누설 인덕턴스가 지나치게 작은 경우에, 상기 누설 인덕턴스는 당연히 1차 혹은 2차 권선에 대하여 직렬인 추가 코일에 의해서 원하는 값으로 확대될 수 있다.
이 부분에서 언급할 내용은, 공진을 위해서는 트랜스포머의 누설- 및 메인 인덕턴스로 구성된 병렬 회로가 중요하다는 것이다. 그러나 대부분의 적용 예에서는 메인 인덕턴스가 누설 인덕턴스보다 약 100배 더 크기 때문에, 누설 인덕턴스에 대하여 병렬로 작용을 하는 메인 인덕턴스는 실제로 대부분 무시될 수 있다. 그러나 실제 상황이 전술된 내용과 결정적으로 상이한 경우에는 메인 인덕턴스도 고려될 수 있다.
또한, 공개문의 틀 안에서 볼 때 "변환기"라는 용어는 정류기, 인버터 또는 양방향 변환기로 이해될 수 있다는 내용도 언급된다. "정류 작용을 하는 소자"는 예를 들어 다이오드, 트랜지스터(예컨대 MOSFET 또는 IGBT), 사이리스터 또는 정류 작용을 하는 다른 소자로 이해될 수 있다. 또한, "스위칭 소자"는 예를 들어 트랜지스터(예컨대 재차 MOSFET 또는 IGBT), 사이리스터 또는 스위칭 작용을 하는 다른 소자로 이해될 수 있다. 그에 상응하게 패시브 정류기, 액티브 정류기 또는 액티브 인버터도 존재한다. 마지막으로 "배터리"는 충전 가능한 배터리, 축전지 또는 전류를 저장하는 다른 매체로 이해될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예들 및 개선 예들은 종속 청구항에서 그리고 도면부의 도면들과 연관된 상세한 설명 부분에서 드러난다.
DC/DC-변환기가 두 개의 인버터, 두 개의 트랜스포머 그리고 두 개의 정류기를 포함하는 경우가 바람직한데, 그 이유는 이와 같은 방식에 의해서는 비교적 단순한 구성이 얻어지기 때문이다.
트랜스포머가 별도의 핵을 구비하는 것도 바람직한데, 그 이유는 이와 같은 방식에 의해서는 트랜스포머 상호 간에 미치는 영향이 어느 정도는 배제될 수 있기 때문이다.
유리한 경우는 각각 하나의 인버터에 각각 하나의 커패시터가 병렬 접속되고/접속되거나 각각 하나의 정류기에 각각 하나의 커패시터가 병렬 접속되는 경우이다. 이와 같은 방식에 의해서는 파워-리플 및/또는 전력 공급 측에 미치는 반작용이 특히 우수하게 줄어들 수 있는데, 그 이유는 비교적 평탄한 이전의 직류 전압이 여전히 계속해서 평활화되기 때문이다.
또 다른 유리한 경우는 인버터들에 하나의 공용 커패시터가 병렬 접속되고/접속되거나 정류기들에 하나의 공통 커패시터가 병렬 접속되는 경우이다. 이와 같은 본 발명의 변형 예도 파워-리플 및/또는 전력 공급 측에 미치는 반작용을 특히 우수하게 줄여주지만, 본 변형 예에서는 커패시터의 개수가 줄어들었다. 그렇기 때문에 전체적으로 볼 때 회로는 기술적으로 더 단순하다.
바람직한 경우는 인버터의 각각 하나의 스위칭 소자에 정류 작용을 하는 소자가 반대 방향으로 병렬 접속되고, 정류기의 각각 하나의 정류 작용을 하는 소자에 스위칭 소자가 반대 방향으로 병렬 접속된 경우이다. 이 경우 DC/DC-변환기는 전기 에너지를 한 가지 방향으로뿐만 아니라 반대 방향으로도 변환할 수 있기 때문에 기본적으로 양방향의 작동을 가능하게 한다. 스위칭 소자로서는 예컨대 파워 전자 장치로 구성된 부품, 특히 트랜지스터 또는 사이리스터가 고려된다. 따라서, 전술된 변환기, 다시 말해 패시브 정류기, 액티브 정류기 또는 액티브 인버터는 임의의 조합 형태로도 적용될 수 있는데, 다시 말하자면 예컨대 패시브 정류기가 액티브 인버터와 조합될 수 있다.
제어 신호가 직사각형인 경우도 바람직하다. 상기 제어 신호는 간단히 발생할 수 있기 때문에 본 발명에 따른 DC/DC-변환기에 특히 우수하게 적합하다. 이 경우에는 대칭 형태의 직사각형파 신호, 다시 말해 펄스 폭 반복 비율이 50%인 직사각형파 신호가 특히 바람직하다. 그러나 다른 신호 형태의 적용, 말하자면 삼각형파 신호 또는 사인 형태 신호의 적용은 배제되지 않는다.
또 다른 바람직한 경우는 인버터 및/또는 정류기가 병렬 접속되거나 또는 병렬 접속될 수 있고, 인버터 및/또는 정류기 사이에 펄스가 배치된 경우이다. 이와 같은 방식에 의해서는 전술된 진동 회로의 공진 주파수가 병렬 접속에도 불구하고 역위상으로 진동할 수 있게 되며, 그 결과 두 개 코일의 공통 접속부에서는 전술된 작동 모드가 유지되면서 직류는 가산되지만 리플 전류는 감산된다. 이와 같은 방식에 의해서는 인버터 및/또는 정류기가 트랜스포머의 양측에서 각각 병렬 접속된 경우에도 전압 리플의 보상이 이루어질 수 있다.
전술된 병렬 회로에서는 코일이 결합된 경우가 바람직하다. 이와 같은 방식에 의해서는 코일의 전체 크기가 현저히 줄어들 수 있다. 결합된 두 개의 코일은 또한, 트랜스포머로서 간주 될 수 있거나 또는 상기 트랜스포머의 구성 부품으로서 간주 될 수 있다. 하나의 트랜스포머가 제공되면, 전압 리플의 보상을 위해서는 바람직하게 두 개의 구성 부품 대신에 단 하나의 구성 부품만이 필요하다. 또한, 트랜스포머의 사용에 의해서는 별도의 코일에 대하여 에너지적인 장점들이 얻어진다. 본 발명의 추가의 한 바람직한 실시 예에서는 상기 목적을 위해서 절약 트랜스포머가 제공된다.
마지막으로 바람직한 경우는, 반대 방향으로 병렬 접속된 인버터와 정류기의 조합에 의하여 그리고 그 반대의 조합(이 경우에는 AC/DC-단에서도)에 의하여 AC/DC-변환기가 양방향 작동을 위해서 제공되는 경우이다. 상기 AC/DC-변환기는 예를 들어 태양 전류 분야에 최적으로 사용될 수 있는데, 그 이유는 한 편으로는 태양 광 및 직류 과잉 상태에서 전기 에너지가 배터리 안에 저장될 수 있고, 다른 한 편으로는 전기 에너지가 교류 전류 망 안으로 전달될 수도 있기 때문이다. 교류 전류를 필요로 하는 동시에 어둠이 발생하면, 한 편으로는 (회로 망이 송출 기능을 할 수 있다면) 회로 망으로부터 교류 전류가 획득될 수 있고, 다른 한 편으로는 배터리로부터 유출되는 전류가 교류 전류로 변환되어 설비가 교류 전압 소스로서 이용될 수 있다. 또한, (주행에 이용되지 않은) 전동차의 배터리는 그에 상응하게 교류 전류 망을 위한 파워 버퍼로서 작동될 수 있다.
이 부분에서 설명될 내용은, 본 발명이 배터리-충전 장치용 변환기와만 관련이 있는 것이 아니라 일반적인 변환기와도 관련이 있다는 것이다. 또한, 배터리-충전 장치는 단지 자동차 구조 또는 태양 공학에 적용하는 것에만 관련된 것이 아니라 일반적인 배터리-충전 장치와도 관련이 있다. 당업자는 본 발명이 다른 적용 분야에도 적합하다는 사실을 쉽게 확인하게 된다.
상기 본 발명의 실시 예들 및 개선 예들은 임의의 유형 및 방식으로 조합될 수 있다.
본 발명은 도면부의 개략도에 도시된 실시 예들을 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 DC/DC-변환기를 상징적으로 도시한 개략도이며;
도 2는 다양한 전압 및 전류의 시간 파형과 함께 DC/DC-변환기를 도시한 개략도이고;
도 3은 본 발명에 따른 DC/DC-변환기의 추가의 한 변형 예를 상징적으로 도시한 개략도이며;
도 4는 정류기가 병렬 접속될 수 있는 DC/DC-변환기의 개략도이고;
도 5는 도 4에 따른 DC/DC-변환기에 단지 코일만 결합된 개략도이며; 그리고
도 6은 다양한 전압 및 전류의 시간 파형과 함께 정류기가 병렬 접속된 DC/DC-변환기의 추가의 한 변형 예이다.
도면부의 도면들에서 동일한 그리고 유사한 부분들에는 동일한 도면 부호가 제공되어 있고, 기능적으로 유사한 소자 및 특징들에는 - 달리 기술되지 않은 경우에는 - 동일한 도면 부호이지만 상이한 색인이 제공되어 있다.
도 1은 직렬 접속된 두 개의 양극 인버터(2a, 2b)를 구비하고 상기 인버터에 대하여 커패시터(C1, C2)가 각각 하나씩 병렬 접속된 DC/DC-변환기(1)를 보여주고 있다. 인버터(2a, 2b)는 두 개 트랜스포머(Ta, Tb)(본 경우에는 별도의 핵을 구비함)의 각각 하나의 1차 측에 연결되어 있다. 트랜스포머(Ta, Tb)의 각각 하나의 2차 측은 양극 정류기(3a, 3b)에 각각 하나씩 연결되어 있고, 상기 정류기에 대하여 병렬 접속된 커패시터(C3, C4)에 각각 하나씩 연결되어 있다. 정류기(3a, 3b)는 병렬 접속되어 있고, 필터(4)를 통해 부하에 접속하기 위해서 제공된다.
도 1에 도시된 커패시터(C1 .. C4)는 바람직하기는 하지만 결코 필수 사항은 아니다. 또한, 커패시터(C3 및 C4) 대신에 두 개의 정류기(3a, 3b)를 위하여 하나의 커패시터가 제공될 수도 있다. 필터(4)도 단지 선택적일 뿐이다.
도면에서 인버터(2a, 2b)는 1차 측에서 직렬 접속되어 있고, 그와 달리 정류기(3a, 3b)는 1차 측에 병렬 접속되어 있다. 그러나 직렬- 및 병렬 접속의 모든 네 가지 조합을 생각할 수 있는데, 다시 말하자면 예컨대 두 개의 병렬 인버터(2a, 2b) 그리고 두 개의 병렬 정류기(3a, 3b)를 생각할 수 있다. 인버터(2a, 2b)도 병렬 접속된다면, 커패시터(C1 및 C2) 대신에 두 개의 인버터(2a, 2b)를 위하여 하나의 커패시터가 제공될 수 있다.
DC/DC-변환기(1)는 또한 양방향 작동을 위해서 제공되었는데, 다시 말하자면 부하 측 출력 전압이 임의의 레벨로 설정될 수 있거나 또는 방향 전환 동작에서는 중간 회로 전압이 임의의 레벨로 설정될 수 있다. 이 목적을 위하여 반대 방향으로 병렬 접속된 정류기단을 구비한 인버터(2a, 2b)가 각각 하나씩 설치되고, 반대 방향으로 병렬 접속된 인버터 단을 구비한 정류기(3a, 3b)가 각각 하나씩 설치된다. 이와 같은 구성은 DC/DC-변환기의 기능을 위해서 바람직하기는 하지만 결코 필수 사항은 아니다.
도 1에서는 DC/DC-변환기(1)가 전력 공급 측에서 AC/DC-단(5)에 연결되어 있고, 상기 AC/DC-단과 함께 하나의 AC/DC-변환기(6)를 형성한다. AC/DC-변환기(6)는 예를 들어 직류에 의해서 작동되는 장치에 전력을 공급하기 위하여 전류 망에서 사용될 수 있다. 상기 직류에 의해서 작동되는 장치에는 모든 종류의 전자 장치가 포함되거나 또는 직류 기계도 포함된다. 마지막으로 AC/DC-변환기(6)는 배터리, 특히 전기 자동차의 배터리를 충전하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 AC/DC-단(5)은 본 발명에는 선택적이라고 볼 수 있다.
AC/DC-단(5)은 전력 공급 측에서 또는 회로 망 측에서 동일한 방향으로 결합된 세 개의 코일이 하나의 변환기에 연결되어 있는 특이한 구조적 형상을 가지며, 이 경우 세 개 코일 중에 하나의 코일은 두 개의 부분 코일로 형성된다. 하나의 스위치(양극 릴레이)가 상기 두 개의 부분 코일을 연결함으로써, 상기 두 개의 부분 코일이 3상 망 연결에서는 병렬로 접속되고, 단상 동작에서는 직렬로 접속되며, 이 경우 단상 동작에서 "여분으로 남아 있는" 3상 변환기에 대한 단자는 상기 직렬 접속된 두 개의 부분 코일 및 하나의 커패시터를 통해서 변환기의 바닥점(base)에 연결된다. 본 실시 예에서 커패시터는 병렬 접속된 다섯 개의 부분 커패시터로부터 형성되었다.
마지막으로 언급할 내용은, 도 1에는 단지 두 개의 트랜스포머(Ta 및 Tb) 그리고 상기 두 개의 트랜스포머에 연결된 변환기들이 도시되어 있지만, 발명적인 구상은 다수의 트랜스포머(Ta 및 Tb) 그리고 상기 다수의 트랜스포머에 연결된 변환기들로 확장될 수도 있다.
도 1에 도시된 DC/DC-변환기의 기능은 상기 회로의 개략도를 보여주는 도 2를 참조해서 설명된다. 도면에 도시된 DC/DC-변환기에 의해서 가능한 양방향 동작의 기능 방식을 기본적으로 설명하기 위하여, 도 2에서는 (도 1에 도시되어 있지 않고, 필터(4)에 연결된) 배터리로부터 교류 망으로 에너지가 흘러간다.
도 2는 두 개의 트랜스포머(Ta 및 Tb) 그리고 배터리 측 인버터 단(이하에서는 배터리 측 정류기와 마찬가지로 3a 및 3b로 표기됨)으로부터 상기 트랜스포머(Ta 및 Tb)로 전달되는 전압(Ui1 및 Ui2)을 보여준다. 도 2는 또한 부하 측 또는 회로 망 측 정류기 단(이하에서는 회로 망 측 인버터와 마찬가지로 2a 및 2b로 표기됨)을 보여주고 있는데, 상기 정류기단은 2차 측에서 트랜스포머(Ta 및 Tb)에 연결되어 있고, 본 경우에는 평활화 커패시터(C1 및 C2)를 구비한 간단한 전파(full-wave) 브리지 정류기로서 구현되었다. 추가로 배터리 측 인버터 단(3a 및 3b)의 전압(Ui1 및 Ui2)의 시간에 따른 파형, 전압(UAC1 및 UAC2)을 통해 트랜스포머(Ta 및 Tb)의 2차 권선으로 흘러가는 전류(I1 및 I2), 정류된 전압(UDC1 및 UDC2) 그리고 상기 정류된 전압의 총 전압(UDC)이 도시되어 있다.
그러나 두 개의 인버터 단(3a, 3b)은 대칭의 직사각형파-전압과 주파수 동기적으로 90°만큼 변위된 상태로 작동된다. 변환기가 연결된 두 개 이상의 트랜스포머(Ta 및 Tb)를 사용하면, 위상 이동이 상응하게 적응될 수 있다. 그에 상응하게 특히 바람직한 경우는 각각 180°/n만큼 상호 위상 변위된 신호에 의해서 n개의 트랜스포머가 구동되는 경우이다.
트랜스포머(Ta 및 Tb)의 누설 인덕턴스(LS1, LS2)는 커패시터(C1 및 C2)와 함께 각각 하나의 진동 회로를 형성한다. 상기 진동 회로의 공진 주파수의 크기가 클럭 주파수의 정확히 두 배인 경우, C1 및 C2에서는 직류 전압에 중첩되고 180°만큼 위상 변위된 사인파형의 교류 전압이 얻어진다. 상기 위상 변위된 교류 전압이 정류기(2a, 2b)의 직렬 회로에 의해 보상됨으로써, 부하 측에서는 실제로 리플이 없는 직류 전압이 나타나게 된다.
그밖에 공진 작동에 의해서는 인버터 단(3a 및 3b)(도시된 실시 예에서는 MOSFET)의 트랜스포머가 실제로 무전류 상태로 스위치-온 및 스위치-오프 되며, 이와 같은 사실은 손실을 줄이고 HF-방해를 광범위하게 피한다. 트라포(trafo) 권선 내에서의 적당한 전류 변동에 의해서는 기생 손실-효과(와전류, 스킨- 및 근접(proximity)-효과 등)도 또한 줄어든다.
도시된 실시 예에서는 배터리 전압이 회로망- 또는 중간 회로 전압보다 더 낮다는 사실로부터 출발한다. 이와 같은 전제 조건 하에서는 도시된 회로의 몇 가지 장점이 얻어진다. 공진 커패시터(C1 및 C2)가 전압이 더 높은 측(다시 말해 본 경우에는 회로망 측)에 배치되어 있기 때문에, 상기 공진 커패시터는 손실이 더 적고, 더 높은 에너지 밀도를 갖게 된다. 또한, 두 개 변환기의 고전압 측 직렬 회로는 손실이 더 적은 스위치(특별한 경우에는 다이오드)의 사용을 가능하게 한다.
마지막으로 언급할 내용은 도 1에 도시된 AC/DC-단(5)이 바람직하기는 하지만 결코 본 발명을 위한 필수 사항은 아니라는 것이다. 기본적으로 (경우에 따라서는 리플이 존재하는) 직류 전압을 공급할 수 있는 다른 AC/DC-단도 당연히 고려된다. 또한, AC/DC-변환기(6)가 도 1에 도시된 바와 같이 양방향 작동을 위해서 설계되었고, 상기 AC/DC-변환기(6)가 당연히 상기 장치 그룹을 위해서 언급되는 모든 기술 분야에서 DC/AC-변환기로 사용될 수 있다는 사실도 고수된다.
도 3은 직렬 접속된 두 개의 양극 인버터(2a', 2b') 및 상기 인버터에 대하여 병렬 접속된 커패시터(C1, C2)를 각각 하나씩 포함하는 DC/DC-변환기(1')의 추가의 한 변형 예를 보여주고 있다. 상기 인버터(2a', 2b')는 두 개 트랜스포머(Ta', Tb')(본 경우에는 재차 분리된 핵을 구비함)의 각각 하나의 1차 측에 연결되어 있다. 상기 트랜스포머(Ta', Tb')의 각각 하나의 2차 측은 각각 하나의 정류기(3a', 3b')에 연결되어 있고, 상기 정류기는 병렬 접속된 각각 두 개의 스위치 및 상기 스위치에 대하여 병렬 접속된 각각 하나의 커패시터(C3, C4)로 구성된다. 본 실시 예에서는 트랜스포머(Ta', Tb')의 2차 권선이 분리된 형태로 구현됨으로써, 결과적으로 정류기(3a', 3b')는 중점-회로에서 작동된다. 다시 말하자면, 정류기(3a', 3b')의 스위치는 2차 권선의 단부에 연결되어 있고, 커패시터(C3, C4)는 트랜스포머(Ta', Tb')의 중앙 추기에 연결되어 있다. 정류기(3a', 3b')는 병렬 접속되어 있고, 필터(4')(본 경우에는 저압 필터)를 통해 부하의 단자까지 제공된다.
도 3에는 트랜스포머(Ta', Tb')의 1차 코일 및 2차 코일 간의 분할 비율이 상기 코일들의 상이한 길이에 의해서 상징적으로 도시되어 있다. 도시된 실시 예에서 트랜스포머(Ta', Tb')의 2차 권선의 하나의 부분 코일 대 1차 권선의 비율은 1:6이고, 따라서 2차 권선 대 1차 권선의 비율은 2:6이거나 1:3이다. 이와 같은 내용은 당연히 예로서만 간주 되어야 한다. 다른 권선 비율들도 당연히 가능하다.
본 실시 예에서는 AC/DC-단 대신에 또한 DC/DC-단(7)이 제공되었으며, 상기 DC/DC-단은 본 변형 예에서 양방향의 강압형-/승압형 변환기로 구현되었다. 이와 같은 방식에 의해서는 DC-입력 전압의 넓은 범위에 걸쳐서 일정한 출력 전압이 발생할 수 있다. 물론 다른 구조적인 형상도 생각할 수 있다. 마지막으로 회로망 측에는 필터(4")(본 경우에는 고전압 필터)가 배치되어 있다. 따라서, 도 3에 도시된 회로는 DC/DC-변환기 장치(8)를 형성한다.
도 2에는 직류 전압에 중첩된 교류 전압이 정류기(2a, 2b) 직렬 회로의 한 부하(RL)에서 어떻게 제거되었는지가 도시되어 있는데, 다시 말하자면 부하 측에서는 실제로 리플 없는 직류 전압이 얻어질 수 있다. 도 4는 정류기(2a, 2b)가 전환 스위치에 의해서 직렬로 접속될 수 있을 뿐만 아니라 병렬로도 접속될 수 있는 한 가지 해결책을 보여주고 있다. 이 경우 병렬 접속시에는 코일(L1 및 L2)이 두 개의 정류기(2a 및 2b) 사이에 접속됨으로써, 결과적으로 진동 가능한 시스템이 형성된다. 직류 성분들이 아무런 방해를 받지 않는 상태에서 코일(L1 및 L2)을 통과할 수 있고, 교류 성분들이 반대 클럭으로 진동할 수 있음으로써, 총합적으로 상쇄가 이루어진다. 그 밖의 내용은 도 4에 도시된 회로가 도 1에서 이미 설명된 DC/DC-변환기(1)에 상응하기 때문에 이 자리에서는 더 이상 상세한 설명이 필요 없을 것이다.
기본적으로 코일(L1 및 L2)은 변환기(2a 및 2b)뿐만 아니라 변환기(3a 및 3b)도 병렬 접속되는 경우에만 필요하다. 변환기(2a, 2b, 3a, 3b)가 트랜스포머(Ta', Tb')의 한 측에서 직렬로 접속되는 경우에는, 코일(L1 및 L2)이 생략될 수 있다. 따라서, 다음과 같은 그림이 얻어진다: 코일(L1 및 L2)의 도움 없이도 변환기(2a, 2b, 3a, 3b)는 트랜스포머(Ta', Tb')의 양측에서 직렬/직렬로, 직렬/병렬로 또는 병렬/직렬로 접속될 수 있다. 코일(L1 및 L2)에 의해서는 회로도 병렬/병렬로 실행될 수 있음으로써, 결과적으로는 이 경우에도 리플-보상의 장점 및 전류-제로 통과시의 스위칭의 장점이 얻어진다.
도 5는 도 4에 도시된 회로의 추가의 한 변형 예를 보여주고 있다. 이 변형 예에서는 코일(L1 및 L2)이 결합되어 있다. 이와 같은 방식에 의해서 코일(L1 및 L2)의 전체 크기가 현저하게 줄어들 수 있다. 그러나 그 밖에 코일의 기능은 도 4에서 이용되는 코일(L1 및 L2)과 유사하다. 상기 두 개의 결합된 코일(L1 및 L2)은 또한, 트랜스포머(Tc)로서도 간주 될 수 있다(하지만 이 경우에 상기 트랜스포머는 전위 분리를 위해서는 이용되지 않는다). 트랜스포머(Tc)가 제공되면, 전압 리플의 보상을 위해서는 바람직하게 단 하나의 구성 부품만이 필요하게 된다. 또한, 상기 트랜스포머(Tc)의 사용에 의해서는 별도의 코일(L1 및 L2)에 비해 일반적으로 더 적은 손실이 나타난다.
도 6은 - 도 2가 직렬 접속된 정류기(2a 및 2b)를 위한 전압 파형을 보여주는 것과 유사하게 - 병렬 접속된 정류기(2a 및 2b)를 위한 전압 파형을 보여주고 있다. 본 변형 예에서는 두 개의 정류기(2a 및 2b) 사이에 하나의 절약 트랜스포머(Tc)가 접속되어 있으며, 상기 절약 트랜스포머의 중앙 추기를 통해 부하 저항(RL)이 연결되어 있다. 상기 절약 트랜스포머(Tc) 대신에 등가적으로 두 개의 코일이 제공될 수도 있다.
상기 도시된 원리는 당연히 두 개 이상의 병렬 접속된 정류기(2a 및 2b)에도 확장 적용될 수 있다. 이 목적을 위해서는 상응하게 다수의 코일이 제공될 수 있거나 또는 상응하게 다수의 권선을 구비한 트랜스포머가 제공될 수 있다. 그렇기 때문에 세 개의 병렬 접속된 정류기의 경우에는 도 6에서 예를 들어 별 모양으로 결선된 세 개의 코일을 구비한 트랜스포머가 제공될 수 있으며, 이 경우 부하(RL)는 성형점 안에 연결된다. 당연히 상기 원리는 임의의 n개의 병렬 접속된 정류기에도 확장 적용될 수 있다. 이때 전술된 트랜스포머는 별 모양으로 결선된 n개의 권선을 포함한다.
마지막으로 언급할 내용은, 도시된 변형 예는 본 발명에 따른 DC/DC-변환기를 위한 다수의 가능성 중에 단 하나의 섹션에 불과하며, 본 발명의 적용 분야를 제한할 목적으로 이용되어서는 안 된다. 당업자에게는 본 명세서에 언급된 생각들을 토대로 하여 발명의 보호 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 당업자 자신의 필요에 적응시키는 작업이 용이할 것이다.
1, 1': DC/DC-변환기
2a, 2b, 2a', 2b': 인버터
3a, 3b, 3a', 3b': 정류기
4, 4', 4": 필터
5: AC/DC-단
6: AC/DC-변환기
7: DC/DC-단
8: DC/DC-변환기 장치
C1, C2, C3, C4: 커패시터
LS1, LS2: 누설 인덕턴스
L1, L2: 코일
RL: 부하 저항
Ta, Tb, Ta', Tb', Tc: 트랜스포머
UAC1, UAC2: 교류 전압
UDC, UDC1, UDC2: 직류 전압

Claims (16)

  1. 다수의 병렬 또는 직렬 접속된 양극 인버터(2a, 2b, 2a', 2b'),
    마찬가지로 다수의 트랜스포머(Ta, Tb, Ta', Tb'), 그리고
    마찬가지로 다수의 병렬 또는 직렬 접속된 양극 정류기(3a, 3b, 3a', 3b')를 포함하며, 이 경우
    각각 하나의 인버터(2a, 2b, 2a', 2b')는 각각 하나의 트랜스포머(Ta, Tb, Ta', Tb')의 1차 측에 연결되고, 각각 하나의 정류기(3a, 3b, 3a', 3b')는 각각 하나의 트랜스포머(Ta, Tb, Ta', Tb')의 2차 측에 연결되며, 이 경우
    상기 인버터(2a, 2b, 2a', 2b')는 제어 장치에 연결되어 있고, 상기 제어 장치는 제어 신호에 의해서 인버터(2a, 2b, 2a', 2b')를 주파수 동기적으로 그리고 180°/n만큼 위상 변위된 상태로 제어하기 위해서 제공되며, 이 경우 n은 트랜스포머(Ta, Tb, Ta', Tb')의 개수를 지시하는, DC/DC-변환기(1, 1')에 있어서,
    상기 트랜스포머(Ta, Tb, Ta', Tb')의 누설 인덕턴스(LS1, LS2)는 상기 인버터(2a, 2b, 2a', 2b')의 커패시터(C1, C2) 및/또는 정류기(3a, 3b, 3a', 3b')의 커패시터(C3, C4)와 함께 각각 하나의 진동 회로를 형성하고, 상기 진동 회로의 공진 주파수 크기는 실제로 제어 신호의 클럭 주파수 크기보다 두 배만큼 더 큰 것을 특징으로 하는, DC/DC-변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜스포머(Ta, Tb, Ta', Tb')는 분리된 핵을 갖는 것을 특징으로 하는, DC/DC-변환기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각 하나의 인버터(2a, 2b, 2a', 2b')에 각각 하나의 커패시터(C1, C2)가 병렬 접속되고/접속되거나 각각 하나의 정류기(3a, 3b, 3a', 3b')에 각각 하나의 커패시터(C3, C4)가 병렬 접속되는 것을 특징으로 하는, DC/DC-변환기.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 인버터(2a, 2b, 2a', 2b')에 하나의 공용 커패시터가 병렬 접속되고/접속되거나 상기 정류기(3a, 3b, 3a', 3b')에 하나의 공통 커패시터가 병렬 접속되는 것을 특징으로 하는, DC/DC-변환기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    한 인버터(2a, 2b, 2a', 2b')의 각각 하나의 스위칭 소자에 정류 작용을 하는 하나의 소자가 반대 방향으로 병렬 접속되고, 한 정류기(3a, 3b, 3a', 3b')의 각각 하나의 정류 작용을 하는 소자에 스위칭 소자 반대 방향으로 병렬 접속되는 것을 특징으로 하는, DC/DC-변환기.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인버터(2a, 2b, 2a', 2b') 및/또는 정류기(3a, 3b, 3a', 3b')는 병렬 접속되거나 병렬 접속될 수 있고, 상기 인버터(2a, 2b, 2a', 2b') 및/또는 정류기(3a, 3b, 3a', 3b') 사이에 코일(L1, L2)이 배치된 것을 특징으로 하는, DC/DC-변환기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 코일(L1, L2)은 결합된 것을 특징으로 하는, DC/DC-변환기.
  8. AC/DC-변환기(6)에 있어서,
    전력 공급 측에 AC/DC-단(5)을 구비하는 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 DC/DC-변환기(1, 1')를 포함하는 것을 특징으로 하는, AC/DC-변환기.
  9. 다수의 병렬 또는 직렬 접속된 양극 인버터(2a, 2b, 2a', 2b'),
    마찬가지로 다수의 트랜스포머(Ta, Tb, Ta', Tb'), 그리고
    마찬가지로 다수의 병렬 또는 직렬 접속된 양극 정류기(3a, 3b, 3a', 3b')를 포함하며, 이 경우
    각각 하나의 인버터(2a, 2b, 2a', 2b')는 각각 하나의 트랜스포머(Ta, Tb, Ta', Tb')의 1차 측에 연결되고, 각각 하나의 정류기(3a, 3b, 3a', 3b')는 각각 하나의 트랜스포머(Ta, Tb, Ta', Tb')의 2차 측에 연결되며, 이 경우
    상기 인버터(2a, 2b, 2a', 2b')는 제어 장치에 연결되어 있고, 상기 제어 장치는 제어 신호에 의해서 인버터(2a, 2b, 2a', 2b')를 주파수 동기적으로 그리고 180°/n만큼 위상 변위된 상태로 제어하기 위해서 제공되며, 이 경우 n은 트랜스포머(Ta, Tb, Ta', Tb')의 개수를 지시하는, DC/DC-변환기(1, 1')에 있어서,
    상기 트랜스포머(Ta, Tb, Ta', Tb')의 누설 인덕턴스(LS1, LS2)는 상기 인버터(2a, 2b, 2a', 2b')의 커패시터(C1, C2) 및/또는 정류기(3a, 3b, 3a', 3b')의 커패시터(C3, C4)와 함께 각각 하나의 진동 회로를 형성하고, 상기 진동 회로의 공진 주파수 크기는 제어 신호의 클럭 주파수 크기보다 두 배만큼 더 큰 것을 특징으로 하는, DC/DC-변환기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 트랜스포머(Ta, Tb, Ta', Tb')는 분리된 핵을 갖는 것을 특징으로 하는, DC/DC-변환기.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    각각 하나의 인버터(2a, 2b, 2a', 2b')에 각각 하나의 커패시터(C1, C2)가 병렬 접속되고/접속되거나 각각 하나의 정류기(3a, 3b, 3a', 3b')에 각각 하나의 커패시터(C3, C4)가 병렬 접속되는 것을 특징으로 하는, DC/DC-변환기.
  12. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 인버터(2a, 2b, 2a', 2b')에 하나의 공용 커패시터가 병렬 접속되고/접속되거나 상기 정류기(3a, 3b, 3a', 3b')에 하나의 공통 커패시터가 병렬 접속되는 것을 특징으로 하는, DC/DC-변환기.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    한 인버터(2a, 2b, 2a', 2b')의 각각 하나의 스위칭 소자에 정류 작용을 하는 하나의 소자가 반대 방향으로 병렬 접속되고, 한 정류기(3a, 3b, 3a', 3b')의 각각 하나의 정류 작용을 하는 소자에 스위칭 소자 반대 방향으로 병렬 접속되는 것을 특징으로 하는, DC/DC-변환기.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인버터(2a, 2b, 2a', 2b') 및/또는 정류기(3a, 3b, 3a', 3b')는 병렬 접속되거나 병렬 접속될 수 있고, 상기 인버터(2a, 2b, 2a', 2b') 및/또는 정류기(3a, 3b, 3a', 3b') 사이에 코일(L1, L2)이 배치된 것을 특징으로 하는, DC/DC-변환기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 코일(L1, L2)은 결합된 것을 특징으로 하는, DC/DC-변환기.
  16. AC/DC-변환기(6)에 있어서,
    전력 공급 측에 AC/DC-단(5)을 구비하는 제 9 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 DC/DC-변환기(1, 1')를 포함하는 것을 특징으로 하는, AC/DC-변환기.
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