谐振转换器的保护电路及其动作方法与流程

1.本发明涉及谐振转换器的保护电路及其动作方法。


背景技术：

2.零电压切换(zvs：zero voltage switching)是指当施加于开关的电压为0时执行切换运转。
3.图1是示出谐振转换器中的切换方式的图。
4.设置于谐振转换器的半导体开关中的热损失可以用p
loss
＝v
×
i表示。参照图1所示的硬切换方式，产生电压v和电流i重叠的区间1，该区间1可以是指产生热损失的区间。
5.另一方面，参照图1所示的软切换方式，可以确认到，不产生电压v和电流i重叠的区间。即，根据软切换方式，电压降到0后，电流开始流动，因此没有热损失，将其称为零电压切换。
6.在谐振转换器中，必须实现这样的零电压切换，以使半导体开关元件的热损失最小。这是因为，如果不能感测零电压切换的失败，则半导体开关元件可能因热积累而烧损。
7.另一方面，通常，谐振转换器的负载由电阻r、电感l、电容c构成，其中，电感和电容彼此抵消，以仅向电阻侧传递能量的谐振频率为中心，可以划分为电容区域(capacitive region)和电感区域(inductive region)。
8.图2是示出以谐振频率为中心划分的电容区域和电感区域的图。
9.在开关的驱动频率为电容区域的情况下，发生硬切换，因此开关的驱动频率必须控制在电感区域，以实现零电压切换。
10.另一方面，即使开关以电感区域的频率驱动，也可能发生零电压切换失败的情况。例如，即使以降噪为目的，第一开关和第二开关被非对称控制，或者第一开关和第二开关被对称控制，也可能根据容器或频率等而发生零电压切换失败。
11.作为现有技术的韩国专利公开专利公告第10-2010-0100244号记载了一种感测电容区域和电感区域中的电容区域的零电压切换失败的保护电路。但是，零电压切换失败不仅发生在电容区域，如上所述，还可能发生在电感区域。因此，需要一种谐振转换器的保护电路不仅感测电容区域的零电压切换失败，还感测电感区域的零电压切换失败的方案。
12.另外，在现有技术中，为了感测零电压切换失败而感测并使用电流，但是存在感测结果因电流感测元件的频率特性或电流值的非线性特性而可靠性降低的问题。因此，需要一种用于确保谐振转换器的保护电路感测零电压切换失败的可靠性的方案。


技术实现要素：

13.发明所要解决的问题
14.本发明旨在提供一种感测谐振转换器的零电压切换失败的保护电路及其动作方法。
15.本发明旨在提供一种不仅感测电容区域发生的零电压切换失败，而且还感测电感
区域发生的零电压切换失败的保护电路及其动作方法。
16.本发明旨在提高感测零电压切换失败的保护电路及其动作方法的可靠性。
17.解决问题的技术方案
18.本发明实施例的谐振转换器的保护电路可以包括：比较器，比较谐振转换器的dc链路电压与第一开关和第二开关中任一方的两端电压；以及微型计算机，基于比较器的输出信号来感测零电压切换与否。
19.谐振转换器的保护电路还可以包括仅识别比较器的输出信号中空载时间中的信号的空载时间激活部，微型计算机可以基于在空载时间识别的比较器的输出信号来感测零电压切换与否。
20.谐振转换器的保护电路还可以包括仅识别比较器的输出信号中向谐振转换器的输入电压为规定电压以上时的信号的不稳定区域去除部。
21.谐振转换器的保护电路还可以包括将比较器的输出信号转换为低频信号的信号转换部。
22.谐振转换器的保护电路还可以包括将在信号转换部转换的低频信号与基准大小进行比较并输出为高信号或低信号的信号输出部。
23.微型计算机可以使用从信号输出部输出的信号中从预设定的区间输出的信号来感测零电压切换与否。
24.谐振转换器的保护电路还可以包括：不稳定区域去除部，仅识别比较器的输出信号中向谐振转换器的输入电压为规定电压以上时的信号；空载时间激活部，仅识别在不稳定区域去除部识别的信号中空载时间中的信号；以及信号转换部，将在空载时间激活部识别的信号转换为低频信号。
25.信号转换部可以通过利用具有第一电阻值的电阻给电容充电并利用具有比第一电阻值大的第二电阻值的电阻释放电容中充电的能量，来将在空载时间激活部识别的高频信号转换为低频信号。
26.不稳定区域去除部可以阻断比较器的输出信号中向谐振转换器的输入电压小于规定电压的信号。
27.本发明实施例的谐振转换器的保护电路的动作方法可以包括：比较谐振转换器的dc链路电压与第一开关和第二开关中任一方的两端电压的步骤；以及基于比较器的输出信号来感测零电压切换与否的步骤。
28.发明效果
29.根据本发明的实施例，由于不仅能够感测电容区域的零电压切换失败，而且还能够感测电感区域的零电压切换失败，因此具有能够使零电压切换失败问题最小的优点。
30.根据本发明的实施例，由于感测并使用电压值，因此具有确保感测零电压切换失败时的可靠性的优点。
附图说明
31.图1是示出谐振转换器中的切换方式的图。
32.图2是示出以谐振频率为中心划分的电容区域和电感区域的图。
33.图3是示出在电感区域零电压切换动作时的半导体开关元件和半导体开关元件中
的电压和电流流动的图。
34.图4是示出在电容区域零电压切换失败动作时的半导体开关元件和半导体开关元件中的电压和电流流动的图。
35.图5是示出在电感区域零电压切换失败动作时的半导体开关元件和半导体开关元件中的电压和电流流动的图。
36.图6是示出应用了本发明实施例的保护电路的谐振转换器的一例的示例图。
37.图7是示出本发明实施例的谐振转换器的保护电路的框图。
38.图8是示出在电感区域动作时零电压切换情况下的dc链路电压和开关的两端电压的图。
39.图9是示出在电感区域动作时零电压切换失败情况下的dc链路电压和开关的两端电压的图。
40.图10是示出在电容区域动作时dc链路电压和开关的两端电压的图。
41.图11是用于说明本发明实施例的保护电路的空载时间激活部动作方法的波形的示例图。
42.图12和图13是用于说明本发明实施例的保护电路的信号转换部动作方法的波形的示例图。
43.图14是用于说明本发明实施例的保护电路的信号输出部动作方法的波形的示例图。
44.图15是示出输入到本发明实施例的保护电路的微型计算机的信号的示例图。
具体实施方式
45.以下，参照附图详细说明本发明的优选实施例。在附图中，相同的附图标记是指相同或相似的构成要素。
46.以下，说明本发明实施例的谐振转换器的保护电路及其动作方法。
47.本发明公开的转换器是指转换信号或能量的形状的电力转换装置，可以解释为包括将交流转换为直流的装置(狭义的转换器)和将直流转换为交流的装置(逆变器(inverter))等。
48.首先，参照图3至图5，对本发明实施例的谐振转换器的保护电路所要感测的发生零电压切换失败(non-zvs)的情况进行说明。
49.图3是示出在电感区域零电压切换动作时的半导体开关元件和半导体开关元件中的电压和电流流动的图，图4是示出在电容区域零电压切换失败动作时的半导体开关元件和半导体开关元件中的电压和电流流动的图，图5是示出在电感区域零电压切换失败动作时的半导体开关元件和半导体开关元件中的电压和电流流动的图。
50.如图3至图5所示，谐振转换器的半导体开关可以由igbt(insulated gate bipolar transistor：绝缘栅双极型晶体管)、反并联二极管以及电容构成。
51.参照图3，在电感区域零电压切换动作时，电容两端的电压全部放电后，二极管被导通(turn-on)。此时，igbt的两端电压降到0后，电流流动，因此，不存在电压和电流彼此重叠的区间，从而不会产生发热问题。
52.参照图4，可以确认到，在电容区域，存在igbt的电压和电流重叠的区间，因此igbt
中发生较大尖峰电流，从而产生较大热损失问题。
53.另一方面，如图3所示，半导体开关元件在电感区域驱动时，必须是，电容两端的电压全部放电，电流在二极管流动后，igbt驱动信号接通(on)，电流开始在igbt流动。但是，如图5所示，在电容的两端电压放电之前，igbt驱动信号接通的情况下，电容中充电的电压急剧向开关侧，igbt中流动非常大的电流，从而可能会引起半导体元件的发热问题。这是在igbt驱动信号接通的时间点恒定，但是确定电容的放电速度的负载电流的大小过小的情况下产生，将其称为shoot through(击穿)现象。
54.即，在公式中，dt表示放电时间，ic表示负载电流，若负载电流过小，则放电时间变长，因此即使在电感区域驱动，也发生零电压切换失败。
55.因此，本发明旨在提供一种在谐振转换器中与发生原因无关地感测零电压切换失败(non-zvs)的保护电路及其动作方法。即，本发明旨在提供一种在电容区域中的零电压切换失败和电感区域中均感测零电压切换失败的保护电路及其动作方法。
56.图6是示出应用了本发明实施例的保护电路的谐振转换器的一例的示例图。
57.应用了本发明实施例的保护电路的谐振转换器可以包括电源部110、整流部120、dc链路电容130、第一开关140、第二开关150、线圈160以及谐振电容170中的至少一部分或全部。
58.电源部110可以从外部接收ac(alternation current：交流电流)。
59.整流部120可以将通过电源部110接收的交流转换为直流。
60.dc链路电容130可以执行电源部110与第一开关140、第二开关150之间的缓冲作用。
61.第一开关140和第二开关150可以切换施加于线圈160的电压。
62.通过第一开关140和第二开关150的驱动，电流可以施加到线圈160。
63.谐振电容170可以起到缓冲器作用。在第一开关140和第二开关150断开期间，谐振电容170调节饱和电压上升比率，并且可以在断开期间对能量损失产生影响。
64.另一方面，在图6中示出了半桥(half-bridge)转换器，但这仅仅是一个示例，因此不限于此。即，图6所示的谐振转换器仅是示例，应用本发明实施例的保护电路的谐振转换器不受图6的限制，本发明实施例的保护电路可以应用在半桥转换器、全桥(full-bridge)等多种方式的谐振转换器。
65.图7是示出本发明实施例的谐振转换器的保护电路的框图。
66.本发明实施例的谐振转换器的保护电路可以包括比较器10、空载时间激活部20、不稳定区域去除部30、信号转换部40、信号输出部50以及微型计算机(micom)中的至少一部分或全部。另一方面，可以省略图7所示的构成中的一部分，或者可以进一步追加其他构成。
67.比较器10可以比较谐振转换器的dc链路电压vdc_link与第一开关140和第二开关150中任一个的两端电压。
68.dc链路电压vdc_link可以是指dc链路电容130的两端电压。
69.因此，比较器10可以比较dc链路电压vdc_link和第一开关140的两端电压，或者可以比较dc链路电压vdc_link和第二开关150的两端电压。以下，假设比较器10比较dc链路电压vdc_link和第二开关150的igbt的collector-emitter(射极)电压vce，但是比较器10也
可以比较dc链路电压vdc_link和第一开关140的igbt的collector-emitter电压。
70.第一开关140和第二开关150可以交替地导通和断开。第一开关140的两端电压可以根据pwm信号反复呈0v和dc链路电压vdc_link，同样地，第二开关150的两端电压vce可以根据pwm信号反复呈0v和dc链路电压vdc_link。
71.比较器10可以在空载时间(dead time)比较dc链路电压vdc_link和第二开关150的igbt的collector-emitter电压vce。
72.空载时间(dead time)可以是指第一开关140的两端电压和第二开关150的两端电压均为0的区间。即，空载时间可以是指第一开关140和第二开关150均断开的区间。
73.若在空载期间第二开关150的两端电压vce达到dc链路电压vdc_link，则比较器10可以判断为正常动作，若在空载期间第二开关150的两端电压vce未达到dc链路电压vdc_link，则比较器10可以判断为零电压切换失败。
74.图8至图10是示出谐振转换器的空载期间的dc链路电压和开关的两端电压的图。
75.具体而言，图8是示出在电感区域动作时零电压切换情况下的dc链路电压和开关的两端电压的图，图9是示出在电感区域动作时零电压切换失败情况下的dc链路电压和开关的两端电压的图，图10是示出在电容区域动作时dc链路电压和开关的两端电压的图。
76.在图8至图10中，第一pwm信号2可以表示第二开关150的栅极信号，第二pwm信号3可以表示第一开关140的栅极信号。在图8至图10中，空载时间可以是指第一pwm信号2和第二pwm信号3均断开的区间。
77.参照图8，可以确认到，在正常动作时，第二开关的两端电压vce逐渐上升，并在空载期间达到dc链路电压vdc_link。参照图9，可以确认到，在电感区域或零电压切换失败的情况下，第二开关的两端电压vce逐渐上升，但是在达到dc链路电压vdc_link之前，空载时间结束。参照图10，可以确认到，如果在电容区域，则两个开关的两端电压vce继续为0v。
78.因此，在空载期间，比较器10可以输出比较第二开关150的两端电压vce和dc链路电压vdc_link的信号。
79.另一方面，空载时间为约1～2us，非常短，因此比较器10的输出信号也可能非常短。
80.因此，本发明实施例的保护电路可以包括空载时间激活部20，所述空载时间激活部20仅识别比较器10的输出信号中空载时间中的信号。
81.空载时间激活部20使比较器10的输出信号仅在空载时间输入到微型计算机。空载时间激活部20可以仅识别从比较器10输出后被不稳定区域去除部30识别的信号中空载时间中的信号。
82.图11是用于说明本发明实施例的保护电路的空载时间激活部动作方法的波形的示例图。
83.在图11中，pwm high可以表示第一开关140的pwm信号，pwm low可以表示第二开关150的pwm信号。在本发明中，假设了比较器10比较dc链路电压vdc_link和第二开关150的两端电压vce，因此空载时间激活部20可以仅激活第二开关150的pwm信号从导通变为断开后紧接着的空载时间。如果，假设为比较器10比较dc链路电压vdc_link和第一开关140的两端电压vce的情况下，空载时间激活部20可以仅激活第一开关140的pwm信号从导通变为断开后紧接着的空载时间。
84.空载时间激活部20可以通过输出激活信号来仅激活需要的信号。例如，空载时间激活部20可以通过将激活信号输出区间中的信号控制为0(断开)，来使与激活信号输出区间对应的信号非激活，并仅提取激活信号为0v的区间中的信号。在此情况下，参照图11，激活信号输出区间中的信号均被识别为0，可以仅激活信号为0v的区间、即pwm low后紧接着的且pwm high前紧接着的空载时间中的信号。在pwm low中，第二开关150的两端电压vce反正为0v，因此输出激活信号也无妨。
85.综上所述，空载时间激活部20可以仅激活比较器10的输出信号中第二开关150的pwm信号从导通变为断开后紧接着的空载时间中的信号。即，空载时间激活部20可以将比较器10的输出信号中除了第二开关150的pwm信号从导通变为断开后紧接着的空载时间之外的其余区间中的信号输出为0。
86.另一方面，比较器10可以输出dc链路电压vdc_link与第一开关140和第二开关150中任一个的两端电压的比较结果信号，在dc链路电压vdc_link的大小非常小的情况下，比较器10输出信号的可靠性可能会降低。例如，在dc链路电压vdc_link低得接近0v的情况下，比较器10的输出信号的可靠性降低。
87.因此，不稳定区域去除部30可以仅识别比较器10的输出信号中向谐振转换器的输入电压为规定电压以上时的信号。不稳定区域去除部30可以将比较器10的输出信号中向谐振转换器的输入电压小于规定电压时的信号处理为0。即，不稳定区域去除部30可以阻断比较器10的输出信号中向谐振转换器的输入电压小于规定电压时的信号。
88.由此，在经由电源部110输入的交流电压的大小小于规定电压时，不稳定区域去除部30忽略从比较器10输出的信号，从而具有能够提高保护电路的可靠性的优点。
89.另一方面，在经由电源部110输入的交流电压的大小小于规定电压时，如果不稳定区域去除部30阻断比较器10的输出，则还具有将比较器10的输出信号转换为低频信号时电容中充电的能量被重置的效果。
90.接着，说明将比较器10的输出信号转换为低频信号的信号转换部40。
91.由于第一开关140和第二开关150的信号以切换频率反复，因此比较器10的输出信号可以输出为高频信号。需要将这样的高频信号转换为低频信号，以使微型计算机能够更好地识别。
92.信号转换部40可以将比较器10的输出信号转换为低频信号。
93.信号转换部40可以将比较器10的输出信号中被空载时间激活部20识别的信号转换为低频信号。例如，信号转换部40可以通过利用具有第一电阻值的电阻给电容充电并利用具有比第一电阻值大的第二电阻值的电阻释放电容中充电的能量的方式，来将在空载时间激活部20识别的高频信号转换为低频信号。
94.接着，图12和图13是用于说明本发明实施例的保护电路的信号转换部动作方法的波形的示例图。
95.参照图12，当输入到信号转换部40的信号如第一波形4所示时，信号转换部40可以输出第二信号5。即，在如第一波形4那样的高频信号输入到信号转换部40的情况下，可以通过持续的充电和放电，来输出如第二波形5那样的能量电平逐渐上升的第二波形5。因此，如果如图13的第一曲线图6那样的第二开关150的两端电压vce和dc链路电压vdc_link电压输入到保护电路，则信号转换部40可以输出如第二曲线图7那样的低频信号。
96.此外，信号输出部50可以将在信号转换部40转换的低频信号与基准大小进行比较并输出为高信号或低信号。
97.图14是用于说明本发明实施例的保护电路的信号输出部动作方法的波形的示例图。
98.信号输出部50对输入的信号和基准大小进行比较，如果输入的信号的大小大于基准大小，则输出高(high)，如果输入的信号的大小小于基准大小，则输出低(low)，这可以与图14的示例所示的输出波形8相同。
99.从信号输出部50输出的信号可以输入到微型计算机。
100.微型计算机可以基于比较器10的输出信号感测零电压切换与否。
101.具体而言，微型计算机可以利用从比较器10输出后被不稳定区域去除部30和空载时间激活部20提取，然后被信号转换部40转换并从信号输出部50输出的信号来感测零电压切换与否。即，微型计算机可以基于比较器的输出信号中被空载时间激活部20识别的比较器的输出信号来感测零电压切换与否。
102.图15是示出输入到本发明实施例的保护电路的微型计算机的信号的示例图。
103.图15的第一输出波形9a可以是零电压切换失败时输入到微型计算机的信号，第二输出波形9b可以是零电压切换时输入到微型计算机的信号。
104.微型计算机可以基于从信号输出部50输出的信号中从预设定的区间p输出的信号来感测零电压切换与否。例如，如果从预设定的区间p输入到微型计算机的信号为高，则微型计算机感测为正常动作(零电压切换)，如果从预设定的区间p输入到微型计算机的信号为低，则微型计算机可以感测为零电压切换失败。
105.另一方面，微型计算机也可以根据输入到比较器10的信号的种类等，如果从预设定的区间p输入到微型计算机的信号为低，则感测为正常动作(零电压切换)，如果从预设定的区间p输入到微型计算机的信号为高，则感测为零电压切换失败。即，基于输入到微型计算机的信号来感测零电压切换失败的方法是可以根据保护电路的详细设计而变化的部分，因此不限于此。
106.由此，本发明实施例的保护电路具有能够在谐振转换器中与零电压切换失败的原因(例如，在电容区域驱动的情况，在电感区域驱动但负载电流小的情况)无关地感测零电压切换失败的优点。另外，保护电路使用电压来感测零电压切换失败，而不使用电流，因此具有可靠性提高的优点。另外，在应用于ih(induction heating)灶台等以切换频率为20khz以上的高频率驱动的转换器的情况下，微型计算机接收转换为低频率的信号并感测零电压切换，因此具有能够确保可靠性且能够降低微型计算机的负担的优点。并且，可以通过保护电路来感测零电压切换失败，因此，具有通过更准确地识别谐振转换器的频率可变范围来能够实现最大电力传递的优点。即，可以通过保护电路感测零电压切换失败，因此，具有通过识别非对称切换控制、pwm控制的驱动范围来能够实现更准确的电力传递的优点。另外，可以通过保护电路的应用来实现非对称切换控制，因此，具有能够使燃烧器之间的干扰噪音最小的优点。
107.以上说明仅是对本发明的技术思想的示例性的说明，对于本发明所属领域的普通技术人员而言，可以在不脱离本发明的本质特征的范围内进行各种修改和变形。
108.因此，本发明中公开的实施例并非用于限定本发明的技术思想，而是用于说明本
发明，本发明的技术思想范围不限于这种实施例。
109.本发明的保护范围应由权利要求书解释，应当解释为，与其等同范围内的所有技术思想均落入本发明的保护范围。