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KR20170046982A - 멀티 토플러지를 이용한 dc/dc 컨버터 - Google Patents

멀티 토플러지를 이용한 dc/dc 컨버터 Download PDF

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KR20170046982A
KR20170046982A KR1020150147277A KR20150147277A KR20170046982A KR 20170046982 A KR20170046982 A KR 20170046982A KR 1020150147277 A KR1020150147277 A KR 1020150147277A KR 20150147277 A KR20150147277 A KR 20150147277A KR 20170046982 A KR20170046982 A KR 20170046982A
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mosfets
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Abstract

본 발명은 DC/DC 컨버터에 관한 것으로서 스위칭부에 풀 브릿지를 구성하고 회로구성 측면상 풀 브릿지에 종속되는 하프 브릿지를 이용하여 이러한 멀티 토플러지를 자동으로 선택하여 동작하게 하는 것으로서, 상세하게는 배터리로 충전되는 출력 전압을 실시간으로 피드백받아 배터리로 충전되는 출력 전압이 기준 전압 미만일 때 하프 브릿지로 동작되고, 배터리로 충전되는 출력 전압이 기준 전압 이상일 때 풀 브릿지로 동작시켜 넓은 범위의 전압을 출력하도록 하는 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터에 관한 것이다.

Description

멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터{DC/DC CONVERTER FOR USING MULTI TOPOLOGY}
본 발명은 DC/DC 컨버터에 관한 것으로서 스위칭부에 3레벨 풀 브릿지를 구성하고 회로구성 측면상 풀 브릿지에 종속되는 하프 브릿지를 이용하여 이러한 멀티 토플러지를 자동으로 선택하여 동작하게 하는 것으로서, 상세하게는 배터리로 충전되는 출력 전압을 실시간으로 피드백 받아 배터리로 충전되는 출력 전압이 기준 전압 미만일 때 하프 브릿지로 동작되고, 배터리로 충전되는 출력 전압이 기준 전압 이상일 때 풀 브릿지로 동작시켜 넓은 범위의 전압을 출력하도록 하는 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터에 관한 것이다.
상대적으로 높은 출력을 요구하는 전자회로에 에너지를 공급하기 위하여, 계통에 연계하여 응용 분야에 사용하기 위해서는 높은 전압으로 승압해 주어야 한다. 뿐만 아니라 전자회로에 따라서는 높은 전압을 이용하여 낮은 전압으로 강압해 줄 필요도 있다. 이를 위한 다양한 강압형 및 승압형 컨버터 중의 하나로 DC/DC 컨버터(converter)이다.
한편, 최근 전기 자동차(EV, Electric Vehicle)는 세계적인 녹색성장정책(Green Growth Policy)의 기조와 함께 국제기구뿐만 아니라 각국의 정부 및 기업들의 관심이 고조되고 있는 미래형 융합기술이다.
이러한 전기 자동차는 외부로부터 전기에너지를 공급받아 이를 배터리에 충전한 후 배터리에 충전된 전압으로 기계적 에너지인 동력을 얻는다. 차량 충전기는, 저전압과 고전압을 충전하기 위해 전기 자동차에 필요한 전압을 제공하는 장치로, 단일 출력회로를 사용하여 직류 입력 전원으로부터 넓은 전압 범위의 직류 전원을 출력으로 공급할 수 있는 DC/DC 컨버터를 요구한다.
이러한 DC/DC 컨버터로는 한국등록특허 제10-1548528호(DC/DC 컨버터)가 게시되어 있다.
상기 DC/DC 컨버터는 직류 입력 전원을 교번으로 스위칭 하는 스위칭부; 상기 스위칭부에 의해 스위칭 된 전원을 변환하는 변압부로서, 일차권선 및 이차권선을 구비한 단일 트랜스를 포함하고, 상기 일차권선 측으로 입력된 전원을 변환하여 상기 이차권선 측으로 출력하는 상기 변압부; 상기 변압부의 상기 이차권선 측에서 출력된 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 정류부로서, 스위칭 소자 및 제 1 내지 제 4 다이오드를 포함하고, 상기 스위칭 소자의 동작에 따라 고전압 모드 또는 저전압 모드로 동작하는 상기 정류부; 및 상기 정류부로부터 출력된 전원을 필터링하는 출력 필터를 포함하고, 상기 정류부는, 상기 고전압 모드에서, 상기 변압부의 이차권선의 양단에 각각 순방향으로 연결된 상기 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드와, 상기 변압부의 이차권선의 양단에 각각 역방향으로 연결된 상기 제 3 다이오드 및 제 4 다이오드를 포함하는 브리지 정류 회로이고, 상기 정류부는, 상기 저전압 모드에서, 상기 변압부의 이차권선의 양단에 각각 순방향으로 연결된 상기 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드와, 상기 변압부의 이차권선에 형성되어 접지 단자에 연결되는 센터 탭(center-tap)을 포함하는 센터 탭 방식의 정류 회로이고, 상기 정류부의 상기 스위칭 소자는 상기 센터 탭과 접지 단자 사이를 온/오프(ON/OFF) 시키는 제 1 스위치; 및 상기 제 3 다이오드 및 상기 제 4 다이오드의 음극과 상기 접지 단자 사이를 온/오프 시키는 제 2 스위치를 포함하고, 상기 제 1 스위치는, 상기 고전압 모드에서 오프(OFF) 되고, 상기 저전압 모드에서 온(ON) 되며, 상기 제 2 스위치는, 상기 고전압 모드에서 온(ON) 되고, 상기 저전압 모드에서 오프(OFF) 된다.
또한, 상기 DC/DC 컨버터는 입력 DC 전압을 교번으로 스위칭 하여 교류 전압을 발생시키기 위하여 풀-브릿지 컨버터(Full-bridge Converter)로 형성하거나 하프-브릿지 컨버터(Half-bridge Converter) 또는 푸시풀 회로(Push-Pull Circuit)로 구성된다.
그러나, 상기 DC/DC 컨버터는 넓은 전압 범위를 출력으로 공급할 수 있게 트랜스의 2차 권선수를 두개로 나누어 출력 전압 크기에 따라 사용, 즉 출력 전압이 낮을 경우는 2차를 하나의 권선, 전압이 높을 경우는 트랜스의 2차를 두 개의 권선을 직렬로 사용하는 데, 권선에는 출력에서 요구하는 전류가 흐르기 때문에 트랜스 권선이 하나의 권선 사용시와 두개의 권선이 직렬로 사용시에도 전류가 동일하게 흐르게 되므로 두개의 권선이 출력 최대전류에 허용할수 있게 권선 선경을 채택하여야 하며, 이때 두꺼운 권선을 단일 권선 사용시보다 두 개의 권선을 감기 위한 공간확보를 위해 트랜스 사이즈가 커지는 문제점이 있다.
또한, 고전압 출력시 트랜스의 권선 두개가 직렬로 되어 2차측 다이오드에 정격의 2배의 높은 전압이 걸려 다이오드 전압 정격이 큰 것으로 사용하여야 하는 데, 내압이 높은 다이오드는 VF(순방향 드롭전압)가 커 손실이 발생하는 문제점이 있다.
또, 일반적인 종래의 급속충전기는 대용량으로 충전 시에 높은 전압과 큰 전류가 발생하고, 전압보다는 전류가 작아야 손실이 적어지기 때문에 전류를 작게 흐르게 하기 위해선 전압을 높여야 하는데, 일반적인 회로 방식에서는 전류를 낮추기 위하여 높은 전압을 인가할 경우 스위치 소자에 높은 전압이 발생해서 가격 및 수급이 쉬운 범용적인 모스펫(MOSFET) 사용이 불가하고, 모스펫을 사용하기 위하여 입력전압을 낮출 경우 많은 전류가 흘러 손실이 발생하는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1548528호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 스위칭부에 풀 브릿지를 구성하고 회로구성 측면상 풀 브릿지에 종속되는 하프 브릿지를 이용하여 이러한 멀티 토플러지를 자동으로 선택하여 동작하게 하는 것으로서, 상세하게는 배터리로 충전되는 출력 전압을 피드백받아 배터리로 충전되는 출력 전압이 기준 전압 미만일 때 하프 브릿지로 동작되고, 배터리로 충전되는 출력 전압이 기준 전압 이상일 때 풀 브릿지로 동작시켜 넓은 범위의 전압을 출력하도록 하는 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
3레벨 하프 브릿지로 이루어져 직류 입력 전원을 교번으로 스위칭하여 전류를 인가하는 제 1스위칭부와; 상기 제 1스위칭부의 후단에서 상기 제 1스위칭부와 동일한 3레벨 하프 브릿지로 이루어져 직류 입력 전원을 교번으로 스위칭하여 전류를 인가하는 제 2스위칭부와; 상기 제 1스위칭부에 일단이 연결되고, 상기 제 2스위칭부에 타단이 연결되어 상기 제 1, 2스위칭부의 스위칭 동작에 따라 인가되는 전류가 1차 권선으로 인가되면 2차 권선에서 유기되어 교류 전원을 출력하는 트랜스부와; 상기 트랜스부의 2차 권선 측에서 출력된 교류 전원을 직류 전원으로 정류하여 출력 전압을 출력하는 정류부; 및 배터리로 충전되는 출력 전압을 실시간으로 피드백받아 배터리로 충전되는 출력 전압이 기준값 미만이면 상기 제 1, 2스위칭부를 하프 브릿지 모드로 동작시켜 상기 배터리를 충전시키고, 출력 전압이 기준값 이상이면 상기 제 1, 2스위칭부를 풀 브릿지 모드로 동작시켜 배터리를 충전시키도록 제어하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터는 직류 입력 전원과 제 1스위칭부 사이에서 직류 입력 전원에 연결되어 전원을 반분시키도록 제 1, 2커패시터로 이루어지는 입력 커패시터부와; 제 1인덕터와, 제 3커패시터로 이루어져 상기 정류부의 출력 전압을 필터링하는 필터부를 더 포함한다.
여기에서 또한, 상기 제 1스위칭부는 직류 입력 전원의 +단에 드레인이 연결되고, 직류 입력 전원의 -단에 소스가 연결되는 제 1모스펫과; 상기 제 1모스펫의 소스 측에 드레인과 소스가 연결되는 제 2모스펫과; 상기 제 2모스펫의 소스 측에 드레인과 소스가 연결되는 제 3모스펫; 및 상기 제 3모스펫의 소스 측에 드레인과 소스가 연결되는 제 4모스펫으로 이루어진다.
여기에서 또, 상기 제 1스위칭부는 상기 제 1모스펫의 소스와 제 2모스펫의 드레인 사이 및 상기 제 3모스펫의 소스와 제 4모스펫의 드레인 사이에 제 1, 2순환 다이오드가 구비되며, 상기 제 1, 2순환 다이오드 사이와 상기 입력 커패시터부의 제 1, 2커패시터 사이가 회로적으로 연결된다.
여기에서 또, 상기 제 2스위칭부는 직류 입력 전원의 +단에 드레인이 연결되고, 직류 입력 전원의 -단에 소스가 연결되는 제 5모스펫과; 상기 제 5모스펫의 소스 측에 드레인과 소스가 연결되는 제 6모스펫과; 상기 제 6모스펫의 소스 측에 드레인과 소스가 연결되는 제 7모스펫; 및 상기 제 7모스펫의 소스 측에 드레인과 소스가 연결되는 제 8모스펫으로 이루어진다.
여기에서 또, 상기 제 2스위칭부는 상기 제 5모스펫의 소스와 제 6모스펫의 드레인 사이 및 상기 제 7모스펫의 소스와 제 8모스펫의 드레인 사이에 제 3, 4순환 다이오드가 구비되며, 상기 제 3, 4순환 다이오드 사이와 상기 제 1, 2순환 다이오드가 회로적으로 연결된다.
여기에서 또, 상기 컨트롤러는 하프 브릿지 모드시 상기 제 1, 4모스펫의 듀티를 배터리로 충전되는 출력 전압에 따라 결정하여 상기 제 1, 4모스펫이 순차적으로 턴온/턴오프되도록 일정 펄스 주기(Ts)의 펄스 신호를 발생하고, 상기 제 2, 3, 6, 7모스펫의 듀티를 상기 펄스 주기(Ts)의 "0.5"로 결정하여 상기 제 2, 7모스펫과, 상기 제 3, 6모스펫이 순차적으로 턴온/턴오프되도록 펄스 신호를 발생하며, 상기 제 5, 8모스펫의 듀티를 "0"으로 결정하여 턴오프시키는 펄스 신호를 발생하여 상기 펄스 신호에 따라 이들을 스위칭시켜 상기 트랜스부의 1차 권선에 전류가 흐르도록 한다.
여기에서 또, 상기 컨트롤러는 풀 브릿지 모드시 상기 제 1, 4, 5, 8모스펫의 듀티를 배터리로 충전되는 출력 전압에 따라 결정하여 상기 제 1, 8모스펫과, 상기 제 4, 5모스펫이 순차적으로 턴온/턴오프되도록 일정 펄스 주기(Ts)의 펄스 신호를 발생하고, 상기 제 2, 3, 6, 7모스펫의 듀티를 상기 펄스 주기(Ts)의 "0.5"로 결정하여 상기 제 2, 7모스펫과, 상기 제 3, 6모스펫이 순차적으로 턴온/턴오프되도록 펄스 신호를 발생하여 상기 펄스 신호에 따라 이들을 스위칭시켜 상기 트랜스부의 1차 권선에 전류가 흐르도록 한다.
여기에서 또, 상기 정류부는 상기 트랜스부의 2차 권선의 양단에 각각 순방향으로 연결된 상기 제 5다이오드 및 제 6다이오드와, 상기 트랜스부의 2차 권선의 양단에 각각 역방향으로 연결된 상기 제 7다이오드 및 제 8다이오드로 구성된 브릿지 정류 회로이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터에 따르면, 스위칭부에 3레벨 풀 브릿지를 구성하고 회로구성 측면상 풀 브릿지에 종속되는 하프 브릿지를 이용하여 이러한 멀티 토플러지를 자동으로 선택하여 동작하게 하는 것으로서, 상세하게는 배터리로 충전되는 출력 전압을 피드백받아 배터리로 충전되는 출력 전압이 기준 전압 미만일 때 하프 브릿지로 동작되고, 배터리로 충전되는 출력 전압이 기준 전압 이상일 때 풀 브릿지로 동작시켜 넓은 범위의 전압을 출력함으로써 모스펫(MOSFET)의 사용이 가능하여 제조 비용을 낮추고, 손실이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터의 구성을 나타낸 회로도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터의 하프 브릿지 모드시 동작을 설명하기 위한 회로도 및 파형도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터의 풀 브릿지 모드시 동작을 설명하기 위한 회로도 및 파형도이다.
이하, 본 발명에 따른 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 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 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터의 구성을 나타낸 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터(1)는 입력 커패시터부(10)와, 제 1스위칭부(20)와, 제 2스위칭부(30)와, 트랜스부(40)와, 정류부(50)와, 필터부(60) 및 컨트롤러(70)를 포함한다.
먼저, 입력 커패시터부(10)는 직류 입력 전원(Vin, 예를 들어 750V)과 하기에서 설명할 제 1스위칭부(10) 사이에서 직류 입력 전원(Vin)에 연결되어 전원을 반분시키도록 제 1, 2커패시터(C1, C2)가 직렬로 연결된다.
그리고, 제 1스위칭부(20)는 3레벨 하프 브릿지로 이루어져 직류 입력 전원(Vin)을 교번으로 스위칭하여 전류를 인가한다.
이때, 제 1스위칭부(20)는 직류 입력 전원의 +단에 드레인이 연결되고, 직류 입력 전원의 -단에 소스가 연결되는 제 1모스펫(S1)과, 제 1모스펫(S1)의 소스 측에 드레인과 소스가 연결되는 제 2모스펫(S2)과, 제 2모스펫(S2)의 소스 측에 드레인과 소스가 연결되는 제 3모스펫(S3) 및 제 3모스펫(S3)의 소스 측에 드레인과 소스가 연결되는 제 4모스펫(S4)으로 이루어진다.
또한, 제 1스위칭부(20)는 제 1모스펫(S1)의 소스와 제 2모스펫(S2)의 드레인 사이 및 제 3모스펫(S3)의 소스와 제 4모스펫(S4)의 드레인 사이에 제 1, 2순환 다이오드(D1, D2)가 구비되며, 제 1, 2순환 다이오드(D1, D2) 사이와 입력 커패시터부(10)의 제 1, 2커패시터(C1, C2) 사이가 회로적으로 연결된다.
계속해서, 제 2스위칭부(30)는 제 1스위칭부(20)의 후단에서 제 1스위칭부(20)와 동일한 3레벨 하프 브릿지로 이루어져 직류 입력 전원(Vin)을 교번으로 스위칭하여 전류를 인가한다.
이때, 제 2스위칭부(30)는 직류 입력 전원(Vin)의 +단에 드레인이 연결되고, 직류 입력 전원의 -단에 소스가 연결되는 제 5모스펫(S5)과, 제 5모스펫(S5)의 소스 측에 드레인과 소스가 연결되는 제 6모스펫(S6)과, 제 6모스펫(S6)의 소스 측에 드레인과 소스가 연결되는 제 7모스펫(S7) 및 제 7모스펫(S7)의 소스 측에 드레인과 소스가 연결되는 제 8모스펫(S8)으로 이루어진다.
또한, 제 2스위칭부(30)는 제 5모스펫(S5)의 소스와 제 6모스펫(S6)의 드레인 사이 및 제 7모스펫(S7)의 소스와 제 8모스펫(S8)의 드레인 사이에 제 3, 4순환 다이오드(D3, D4)가 구비되며, 제 3, 4순환 다이오드(D3, D4) 사이와 제 1, 2순환 다이오드(D1, D2)가 회로적으로 연결된다.
이어서, 트랜스부(40)는 1차 권선과 2차 권선으로 이루어지는 트랜스로서, 1차 권선이 제 1스위칭부(20)에 일단이 연결되고, 제 2스위칭부(30)에 타단이 연결되어 제 1, 2스위칭부(20, 30)의 스위칭 동작에 따라 인가되는 전류가 1차 권선으로 인가되면 2차 권선에서 유기되어 교류 전원을 출력한다.
그리고, 정류부(50)는 트랜스부(40)의 2차 권선 측에서 출력된 교류 전원을 직류 전원으로 정류하여 출력 전압을 출력한다.
이때, 정류부(50)는 트랜스부(40)의 2차 권선의 양단에 각각 순방향으로 연결된 제 5다이오드(D5) 및 제 6다이오드(D6)와, 트랜스부(40)의 2차 권선의 양단에 각각 역방향으로 연결된 제 7다이오드(D7) 및 제 8다이오드(D8)로 구성된 브릿지 정류 회로이다.
또한, 필터부(60)는 제 1인덕터(L1)와, 제 3커패시터(C3)로 이루어져 정류부(50)의 출력 전압을 필터링한다.
또, 컨트롤러(70)는 배터리로 충전되는 출력 전압을 실시간으로 피드백받아 배터리로 충전되는 출력 전압이 기준값 미만이면 제 1, 2스위칭부(20, 30)를 하프 브릿지 모드로 동작시켜 배터리(Vbatt)를 충전시키고, 배터리로 충전되는 출력 전압이 기준값 이상이면 제 1, 2스위칭부(20, 30)를 풀 브릿지 모드로 동작시켜 배터리(Vbatt)를 충전시키도록 제어한다.
여기에서, 컨트롤러(70)는 하프 브릿지 모드시 제 1, 4모스펫(S1, S4)의 듀티를 배터리로 충전되는 출력 전압에 따라 결정하여 제 1, 4모스펫(S1, S4)이 순차적으로 턴온/턴오프되도록 일정 펄스 주기(Ts)의 펄스 신호를 발생하고, 제 2, 3, 6, 7모스펫(S2, S3, S6, S7)의 듀티를 펄스 주기(Ts)의 "0.5"로 결정하여 제 2, 7모스펫(S2, S7)과, 제 3, 6모스펫(S3, S6)이 순차적으로 턴온/턴오프되도록 펄스 신호를 발생하며, 제 5, 8모스펫(S5, S8)의 듀티를 "0"으로 결정하여 턴오프, 즉 미동작시키는 펄스 신호를 발생하여 펄스 신호에 따라 이들을 스위칭시켜 트랜스부(40)의 1차 권선에 전류가 흐르도록 한다.
여기에서 또, 컨트롤러(70)는 풀 브릿지 모드시 제 1, 4, 5, 8모스펫(S1, S4, S5, S8)의 듀티를 배터리로 충전되는 출력 전압에 따라 결정하여 제 1, 8모스펫(S1, S8)과, 제 4, 5모스펫(S4, S5)이 순차적으로 턴온/턴오프되도록 일정 펄스 주기(Ts)의 펄스 신호를 발생하고, 제 2, 3, 6, 7모스펫(S2, S3, S6, S7)의 듀티를 펄스 주기(Ts)의 "0.5"로 결정하여 제 2, 7모스펫(S2, S7)과, 제 3, 6모스펫(S3, S6)이 순차적으로 턴온/턴오프되도록 펄스 신호를 발생하여 펄스 신호에 따라 이들을 스위칭시켜 트랜스부(40)의 1차 권선에 전류가 흐르도록 한다.
또한, 컨트롤러(70)는 배터리로 충전되는 출력 전압과 배터리로 충전되는 출력 전류를 감지하여 충전 전압과 충전 전류를 일정하게 제어한다.
이하, 본 발명에 따른 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터의 하프 브릿지 모드시 동작을 설명하기 위한 회로도 및 파형도이고, 도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터의 풀 브릿지 모드시 동작을 설명하기 위한 회로도 및 파형도이다.
먼저, 컨트롤러(70)는 배터리로 충전되는 출력 전압을 실시간으로 피드백받아 배터리로 충전되는 출력 전압이 기준값(예를 들어, 250V, 출력 전압 범위 50~250V) 미만이면 제 1, 2스위칭부(20, 30)를 하프 브릿지 모드로 동작시켜 배터리(Vbatt)를 충전시키도록 제어한다.
즉, 컨트롤러(70)는 도 2a에 도시된 바와 같이 제 1, 2, 7모스펫(S1, S2, S7)의 게이트로 펄스 신호를 출력해서 이들을 턴온시켜 입력 커패시터부(10)의 제 1커패시터(C1)에서 반분된 직류 입력 전원이 제 1커패시터(C1)의 +단, 제 1, 2모스펫(S1, S2)을 통해 트랜스부(40)의 1차 권선과 제 7모스펫(S7) 및 제 1커패시터(C1)의 -단으로 흐르도록 한다.
그러면, 트랜스부(40)의 2차 권선으로 +전류가 유기되어 교류 전압이 발생하고, 이는 정류부(50)와 필터부(60)를 통해 직류 전압으로 변환되어 배터리(Vbatt)를 충전시킨다.
계속해서, 도 2b에 도시된 바와 같이 제 1모스펫(S1)이 턴오프되면 트랜스부(40)의 1차 권선의 잔류 전류는 제 7모스펫(S7) 및 제 4, 1정류 다이오드(D4, D1), 제 2모스펫(S2)을 통해 다시 트랜스부(40)의 1차 권선으로 순환되며 소멸된다.
이어서, 도 2c에 도시된 바와 같이 컨트롤러(70)의 제어에 따라 제 2, 7모스펫(S2, S7)이 턴오프되고, 제 4모스펫(S4)과 제 3, 6모스펫(S3, S6)을 턴온되면 입력 커패시터부(10)의 제 2커패시터(C1)에서 반분된 직류 입력 전원의 전류가 제 2커패시터(C2)의 +단, 제 3순환 다이오드(D3), 제 6모스펫(S6)을 통해 트랜스부(40)의 1차 권선의 역방향으로 인가된 후 제 3, 4모스펫(S3, S4)과 제 2커패시터(C2)의 -단으로 흐른다.
그러면, 트랜스부(40)의 2차 권선으로 전류가 유기되어 교류 전압이 발생하고, 이는 정류부(50)와 필터부(60)를 통해 직류 전압으로 변환되어 배터리(Vbatt)를 충전시킨다.
계속해서, 도 2d에 도시된 바와 같이 제 4모스펫(S4)이 턴오프되면 트랜스부(40)의 1차 권선의 잔류 전류는 제 3모스펫(S3), 제 2, 3정류 다이오드(D2, D3), 제 6모스펫(S6)을 통해 다시 트랜스부(40)의 1차 권선으로 순환되며 소멸된다.
그리고, 다시 컨트롤러(70)는 도 2a~2d의 과정을 반복 수행한다.
이러한 상태에서 컨트롤러(70)는 배터리로 충전되는 출력 전압이 기준값(예를 들어, 250V, 출력 전압 범위 251~500V) 이상이면 하프 브릿지 모드로 동작되던 제 1, 2스위칭부(20, 30)를 풀 브릿지로 전환시켜 배터리(Vbatt)를 충전시킨다.
즉, 컨트롤러(70)는 도 3a에 도시된 바와 같이 제 1, 2, 7, 8모스펫(S1, S2, S7, S8)의 게이트로 펄스 신호를 출력해서 이들을 턴온시켜 직류 입력 전원이 입력 커패시터부(10)의 제 1커패시터(C1)의 +단, 제 1, 2모스펫(S1, S2)을 통해 트랜스부(40)의 1차 권선과 제 7, 8모스펫(S7, S8) 및 제 2커패시터(C1)의 -단으로 흐르도록 한다.
그러면, 트랜스부(40)의 2차 권선으로 +전류가 유기되어 교류 전압이 발생하고, 이는 정류부(50)와 필터부(60)를 통해 직류 전압으로 변환되어 배터리(Vbatt)를 충전시킨다.
계속해서, 도 3b에 도시된 바와 같이 제 1, 8모스펫(S1, S8)이 턴오프되면 트랜스부(40)의 1차 권선의 잔류 전류는 제 7모스펫(S7) 및 제 4, 1정류 다이오드(D4, D1), 제 2모스펫(S2)을 통해 다시 트랜스부(40)의 1차 권선으로 순환되며 소멸된다.
이어서, 도 3c에 도시된 바와 같이 컨트롤러(70)의 제어에 따라 제 2, 7모스펫(S2, S7)이 턴오프되고, 제 4, 5모스펫(S4, S5)과 제 3, 6모스펫(S3, S6)을 턴온되면 직류 입력 전원의 전류가 제 1커패시터(C2)의 +단, 제 5, 6모스펫(S5, S6)을 통해 트랜스부(40)의 1차 권선의 역방향으로 인가된 후 제 3, 4모스펫(S3, S4)과 제 2커패시터(C2)의 -단으로 흐른다.
그러면, 트랜스부(40)의 2차 권선으로 전류가 유기되어 교류 전압이 발생하고, 이는 정류부(50)와 필터부(60)를 통해 직류 전압으로 변환되어 배터리(Vbatt)를 충전시킨다.
계속해서, 도 3d에 도시된 바와 같이 제 4, 5모스펫(S4, S5)이 턴오프되면 트랜스부(40)의 1차 권선의 잔류 전류는 제 3모스펫(S3), 제 2, 3정류 다이오드(D2, D3), 제 6모스펫(S6)을 통해 다시 트랜스부(40)의 1차 권선으로 순환되며 소멸된다.
그리고, 다시 컨트롤러(70)는 도 3a~3d의 과정을 반복 수행한다.
또한, 컨트롤러(70)는 풀 브릿지 모드로 동작되다가 배터리로 충전되는 출력 전압이 기준값(예를 들어, 250V) 미만이면 다시 하프 브릿지 모드로 동작된다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 입력 커패시터부 20, 30 : 제 1, 2스위칭부
40 : 트랜스부 50 : 정류부
60 : 필터부 70 : 컨트롤러

Claims (9)

  1. 3레벨 하프 브릿지로 이루어져 직류 입력 전원을 교번으로 스위칭하여 전류를 인가하는 제 1스위칭부와;
    풀브리지로 전환 하기위한 상기 제 1스위칭부의 후단에서 상기 제 1스위칭부와 동일한 3레벨 하프 브릿지로 이루어져 직류 입력 전원을 교번으로 스위칭하여 전류를 인가하는 제 2스위칭부와;
    상기 제 1스위칭부에 일단이 연결되고, 상기 제 2스위칭부에 타단이 연결되어 상기 제 1, 2스위칭부의 스위칭 동작에 따라 인가되는 전류가 1차 권선으로 인가되면 2차 권선에서 유기되어 교류 전원을 출력하는 트랜스부와;
    상기 트랜스부의 2차 권선 측에서 출력된 교류 전원을 직류 전원으로 정류하여 출력 전압을 출력하는 정류부; 및
    배터리로 충전되는 출력 전압을 실시간으로 피드백받아 상기 배터리로 충전되는 출력 전압이 기준값 미만이면 상기 제 1, 2스위칭부를 하프 브릿지 모드로 동작시켜 상기 배터리를 충전시키고, 출력 전압이 기준값 이상이면 상기 제 1, 2스위칭부를 풀 브릿지 모드로 동작시켜 상기 배터리를 충전시키도록 제어하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터는,
    직류 입력 전원과 제 1스위칭부 사이에서 직류 입력 전원에 연결되어 전원을 반분시키도록 제 1, 2커패시터로 이루어지는 입력 커패시터부와;
    제 1인덕터와, 제 3커패시터로 이루어져 상기 정류부의 출력 전압을 필터링하는 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1스위칭부는,
    직류 입력 전원의 +단에 드레인이 연결되고, 직류 입력 전원의 -단에 소스가 연결되는 제 1모스펫과;
    상기 제 1모스펫의 소스 측에 드레인과 소스가 연결되는 제 2모스펫과;
    상기 제 2모스펫의 소스 측에 드레인과 소스가 연결되는 제 3모스펫; 및
    상기 제 3모스펫의 소스 측에 드레인과 소스가 연결되는 제 4모스펫으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1스위칭부는,
    상기 제 1모스펫의 소스와 제 2모스펫의 드레인 사이 및 상기 제 3모스펫의 소스와 제 4모스펫의 드레인 사이에 제 1, 2순환 다이오드가 구비되며, 상기 제 1, 2순환 다이오드 사이와 상기 입력 커패시터부의 제 1, 2커패시터 사이가 회로적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2스위칭부는,
    직류 입력 전원의 +단에 드레인이 연결되고, 직류 입력 전원의 -단에 소스가 연결되는 제 5모스펫과;
    상기 제 5모스펫의 소스 측에 드레인과 소스가 연결되는 제 6모스펫과;
    상기 제 6모스펫의 소스 측에 드레인과 소스가 연결되는 제 7모스펫; 및
    상기 제 7모스펫의 소스 측에 드레인과 소스가 연결되는 제 8모스펫으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2스위칭부는,
    상기 제 5모스펫의 소스와 제 6모스펫의 드레인 사이 및 상기 제 7모스펫의 소스와 제 8모스펫의 드레인 사이에 제 3, 4순환 다이오드가 구비되며, 상기 제 3, 4순환 다이오드 사이와 상기 제 1, 2순환 다이오드가 회로적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    하프 브릿지 모드시 상기 제 1, 4모스펫의 듀티를 배터리로 충전되는 출력 전압에 따라 결정하여 상기 제 1, 4모스펫이 순차적으로 턴온/턴오프되도록 일정 펄스 주기(Ts)의 펄스 신호를 발생하고, 상기 제 2, 3, 6, 7모스펫의 듀티를 상기 펄스 주기(Ts)의 "0.5"로 결정하여 상기 제 2, 7모스펫과, 상기 제 3, 6모스펫이 순차적으로 턴온/턴오프되도록 펄스 신호를 발생하며, 상기 제 5, 8모스펫의 듀티를 "0"으로 결정하여 턴오프시키는 펄스 신호를 발생하여 상기 펄스 신호에 따라 이들을 스위칭시켜 상기 트랜스부의 1차 권선에 전류가 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    풀 브릿지 모드시 상기 제 1, 4, 5, 8모스펫의 듀티를 배터리로 충전되는 출력 전압에 따라 결정하여 상기 제 1, 8모스펫과, 상기 제 4, 5모스펫이 순차적으로 턴온/턴오프되도록 일정 펄스 주기(Ts)의 펄스 신호를 발생하고, 상기 제 2, 3, 6, 7모스펫의 듀티를 상기 펄스 주기(Ts)의 "0.5"로 결정하여 상기 제 2, 7모스펫과, 상기 제 3, 6모스펫이 순차적으로 턴온/턴오프되도록 펄스 신호를 발생하여 상기 펄스 신호에 따라 이들을 스위칭시켜 상기 트랜스부의 1차 권선에 전류가 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 정류부는,
    상기 트랜스부의 2차 권선의 양단에 각각 순방향으로 연결된 상기 제 5다이오드 및 제 6다이오드와, 상기 트랜스부의 2차 권선의 양단에 각각 역방향으로 연결된 상기 제 7다이오드 및 제 8다이오드로 구성된 브릿지 정류 회로인 것을 특징으로 하는 멀티 토플러지를 이용한 DC/DC 컨버터.
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