Over the last decade, there have been a great deal of researchs on the rectification circuit to meet the IEC555-2 requirements. The rectifiers employing the conventional pulse-width-modulated(PWM) converter are mainly investigated. However, operation in continuous mode is accompanied with a current and voltage spike due to a hard switching. This increases switching loss and the level of EMI, thus, operational frequency and power density are limited. Furthermore, there exists an inherent disadvantage like the uncontrollable range when the output voltage is below the peak value of the source voltage. This results in the start-up inrush current as well as over load current.
Firstly, to effectively deal with these problems of PWM type converters, a quantum series resonant converter is applied to the push-pull series resonant rectifier(PPSRR), which have the same global characteristics as with conventional boost AC to DC converter and low switching losses. However, there are some inherent disadvantages in quantum resonant converter applied to PPSRR such as the quantized output voltage level, larger current ripple, and uncontrollable ranges. The quantized output voltage level and larger current ripple basically come from the fixed period of the control cycle. As a possible effective way of dealing with these problems, a predictive current control technique is employed, and thus a near optimum control input with respect to current harmonics is obtained. To overcome the another disadvantage like the uncontrollable range when the output voltage is below the peak value of the rectified line voltage in the boost type topologies, the buck operation should be employed for the improved control performance and system design optimization during the start-up transient periods and load fault condition. The buck operation is very useful for safe operation and extending the output voltage range below the peak value of the source voltage. Using this kind of switched operation technique, a high power factor, a better control performance of the DC output voltage regulation with a wide range, and reduced over load current and start-up inrush current are obtained.
Next, a low power level power supply is investigated. With the adoption of standards such as IEC555-2, there is a need to look for a converter which can do harmonics rectification, power factor correction, isolated dc-dc conversion, and tight output voltage regulation in a single-stage in stead of the conventional two stage approach. Such a converter needs to meet the IEC555-2 requirements without adding many components, especially in a low power level system such as computer power supplies. A new converter based on a forward dc-dc converter is introduced. This converter is capable of drawing high quality current waveforms from the ac power source by using a magnetic coupled stage while producing a regulated dc output with fast transient response. The prototype shows the IEC555-2 requirements are met satisfactorily with nearly unity power factor.
Finally, a high-efficiency and high-density modular power processor is also investigated for distributed power system application. The design of high efficiency DC/DC converter for a modular power processor in distributed power systems is implemented. The modular power processor converts the source voltage whose nominal value is 48VDC to 5V. The maximum output current is 40A. In order to optimize the efficiency and power density, an interleaved N-P MOSFETs coupled active clamp ZVS forward converter with MOSFETs synchronous rectifiers is implemented. To simplify the gate drive circuits, an N-P MOSFETs coupled active clamp method is employed. To achieve the ZVS condition, the magnetizing inductance of transformer is used. The current mode controlled PWM chips are used with a constant switching frequency. The experimental results are in a close agreement with the theoretical analysis. The measured efficiency is greater than 89%.
In this dissertation, two kinds of zero current switching AC to DC converters are newly proposed for power factor correction stage in distributed power system. And a single-stage power factor correction converter/regulator is proposed for a simple low power level power supply. Finally, the design of a high-efficiency high-power-density DC/DC converter is described for a modular power processor in distributed power systems.
수 십년 전 전원에 연결하여 사용하는 부하는 필라멘트 전구와 히터와 같은 간단한 저항성 부하이었다. 따라서 AC라인에 어떠한 심한 문제를 야기시키지 않았다. 그러나 오늘날 전원 연결하여 사용하는 전자기기가 다양화 되면서 전원의 입력전류에 심한 왜곡을 발생시켰다. 일반적으로 사용하는 다이오드 정류기는 일정 순간에 큰 전류가 흐르므로 전류가 크게 왜곡되고 많은 고조파를 포함하게 되었다. 이러한 전류 왜곡은 부하의 실효 역률을 감소시키고 심한 경우는 입력 전압을 왜곡시킨다. 또한 입력 전류의 고조파에 의하여 다른 전자기기에 심한 전자파 장애를 발생시킨다. 그러므로 이러한 고조파 전류를 제한하기 위하여 IEC555와 IEEE-519와 같은 규정을 유럽과 미국을 필두로 하여 적용하기 시작되었다.
최근에 이러한 고조파 규제를 만족시키기 위하여 역률 개선에 많은 연구가 있어 왔다. 그 중에서도 펄스폭 변조 방식의 승압 컨버터를 연속전류 모드로 사용하는 것이 가장 주로 사용되었다. 하지만 이러한 방식은 하드 스위칭하는 방식으로 많은 스위칭 손실을 발생시키고 전자파 장애의 요인이 되기도 한다. 따라서 본 논문에서는 영전류 스위칭 방식으로 동작되는 푸쉬풀 형태의 역률 개선 회로를 새로이 제안하고 입력 전류 제어를 예측형 제어 기법을 제안하고 일반적인 뱅뱅 형태의 전류 제어기와 그 성능을 비교하였다. 또한 역류개선기에서 발생되는 또 하나의 문제는 기동 시의 과도 전류이다. 기동시에는 출력 전압이 영인 상태이므로 제어 불능 구간이 발생하여 과도 전류가 발생한다. 이러한 문제를 행결하기 위하여 강압형과 승압형이 결합된 영전류스위칭 방식의 회로를 이용하여 슬라이딩 제어를 기동시나 과 부하 인가 시의 과도 상태에서 발생하는 과도 전류를 제거하였다. 또한 과도 전류없이 입력 전압의 최대치보다 낮은 안정화된 출력 전압을 얻을 수있게되었다. 그리고 이산 슬라이딩 모드 제어에서의 존재 조건에 대한 해석을 하였고 이를 컴퓨터 모의 실험과 실험을 통하여 그 우수성을 입증하였다.
소용량의 전원 장치로서는 간단한 구조로 역률 개선과 출력 전압제어가 가능한 회로가 요구되어진다. 이러한 용도로 한 개의 스위치로 단일 전력단의 회로가 요구되어진다. 이러한 용도로 한 개의 스위치로 단일 전력단의 새로운 회로를 제안하였다. 포워드 컨버터의 기본 구조에 변압기에 자기 결합을 시켜 입력으로 스위치의 오프시에 일정 전압을 발생시켜 불연속 모드로 입력 전류가 흐르게 하여 역률 개선을 하는 방식이다. 또한 출력 전압은 펄스폭 변조 방식으로 제어한다. 제안된 회로의 실험 모델을 통하여 고조파 규제를 만족시키면서 안정된 출력 전압을 간단한 구조의 회로로 얻을 수 있음을 보였다. 마지막으로 90%의 효율을 갖고 고전력 밀도를 갖는 DC/DC컨버터를 설계하였다고 효율을 위하여 출력 측에 MOSFET동기 정류기를 사용하였고 전력 단을 2단으로하여 도통 손실을 감소시켰을 뿐 아니라 두 전력단의 반대 위상 차로 제어하여 입출력 전류의 맥동성분을 현저히 감소시켜 필터의 크기를 감소시켰다. 또한 능동 클램프 방식을 적용하여 영전압스위칭을 하였다. 그리고 클래프 스위치를 P-MOSFET을 사용하열 간단한 구조의 게이트 구동 회로를 사용하게 되었다. 실험 모델로부터 측정된 효율은 약 90%이었다.
이와 같이 분산 전력 시스템을 구성하는 역률 개선 회로와 모듈화된 DC/DC 컨버터를 이용하여 고효율이며 고 전력 밀도를 갖는 시스템을 구성하는 것이 기대된다.
