Due to the standards such as IEEE 519 and IEC 61000 imposing a limit on harmonic current drawn by equipments, it is necessary to develop an power system whose AC line is low in harmonics and power factor is close to unity. To cope with these limitations, many power factor correction converters employing a boost topology at their input stage has been proposed and these can be divided into two kinds of approaches: the two stage approach and the single stage approach. Despite the two stage approach has a number of good electrical characteristics, it is not desirable to use in low power level applications since it is bulky and costly. Therefore, simple low power level power factor correction converters should be developed.
Based on forward topology, a single stage AC/DC converter for low power level applications operating in discontinuous conduction mode(DCM) is proposed. The proposed converter gives the good power factor correction, low line current harmonic distortions, and tight output voltage regulations. This converter also achieves a high efficiency by employing an active clamp method and synchronous rectifiers. However, this topology has a disadvantage that the switch voltage stress is heavy at light load which is the general characteristic of DCM topologies. To overcome this advantage, a single stage AC/DC converter based on a half bridge topology is developed. An asymmetrical control to achieve a soft switching of switches is adopted in this topology. Synchronous rectification method is also employed to reduce the rectification loss. The modelling and detailed analysis of theses proposed topologies are performed to derive the design equations. Based on these design equations, a 90W prototype converters have been designed and experimented. These prototypes meet the IEC 61000-2 regulations satisfactorily and have a high efficiency. Furthermore, since a large 120Hz ripple are not shown in the output voltage, a wide bandwidth output voltage controller can be applied.
A resonant power factor correction technique has been introduced to reduce the switching frequency and size. However, it suffers from the input current distortion at line zero-crossings and large output voltage ripple and a low bandwidth of the output voltage controller. To solve this problem, an integrated zero current switching(ZCS) quasi-resonant converter(QRC) for the power factor correction based on a flyback converter is proposed. This converter offers tight and fast output regulation and does not have the input current distortion at line zero-crossings.
Integrated single-stage converters with simple boost input current shaper(ICS) have the inherent characteristic that the link voltage varies according to a load changes, which results the excessive voltage stress at a light load. Thus, it is necessary to design separately for line requirements. A switching frequency modulation method and magnetic feedback method to alleviate the voltage stress have been developed, but they suffer from drawbacks such as a wide span of switching frequency or increase of THD of input current. In chapter V, a novel boost ICS is proposed. By parallel processing of the input power, a charging current to the link capacitor can be reduced, which limits a excessive increase of the link voltage stress while not deteriorating THD of the input current. In low voltage application, CCM of the output current is preferred due to the output current stress and voltage ripple. The proposed scheme also meets this requirement.
인구가 증가하며 산업화가 진행되어 에너지 소비가 증가함에 따라 세계각국들에서는 미래의 에너지 자원의 활용도를 높이는 방안에 대해 관심을 가지게 되었다. 최초의 접근방식은 효율이 높은 전자 장비를 사용하게 함으로써 에너지의 소비를 줄이고자 하였다. 이러한 요구를 만족시키기 위해서 가전제품이나 조명 시스템, 그리고 모터 구동 시스템등에 사용되는 전원장치를 기존의 리니어 전원장치(linear power supply)를 대신하여 스위칭 전원장치(switching power supply)로 교체하여 왔다. 하지만 기존의 스위칭 전원장치는 입력단에 다이오드 브릿지를 사용하는 간단한 형태의 정류기를 사용하며 이러한 형태의 AC/DC 전원장치는 전원장치 자체의 효율은 높으나 공용 전력선에 상당한 고조파를 유발한다. 이 때문에 전반적인 전력의 품질이 저하되며 공급자측에서 보면 사용되지 않는 무효전력을 공급하기 위한 발전설비 및 전력선의 유지 보수가 필요하므로 추가적인 비용이 요구된다. 최근에 이 문제를 해결하기 위해서 구미 선진국에서는 IEC 61000이나 IEEE519와 같은 규격을 제정하여 고조파에 대해 규제를 가하고 있는 실정이다.
이를 만족시키기 위해 많은 회로방식들이 연구되었으며 그 회로들은 대체로 크게 이단방식과 단일방식으로 나뉘어진다. 이단방식의 경우 연속적인 입력전류를 가지고 있어 입력의 초크필터가 작고 입력 전류를 제어하므로 높은 역률을 가지며 출력도 빠르고 안정된 레귤레이션(regulation)특성을 갖는다. 하지만 두 개의 전력단이 필요하므로 시스템의 부피가 크며 가격이 높아 가격경쟁이 수백W미만의 소용량에서는 불리한 면이 많다. 따라서 간단한 형태의 역률개선이 가능한 AC/DC 컨버터가 요구되고 있다.
이를 위하여 소용량에 적합한 포워드 토폴로지를 기반으로 한 단일 전력단의 AC/DC 컨버터를 제안한다. 본 회로는 부스트 토폴로지와 포워드 토폴로지를 결합한 회로로서 입력전류을 불연속모드로 동작시킴으로써 입력전류를 제어하지 않고 역률개선을 하고 있으며 출력측에 120Hz 리플성분이 거의 발생하지 않아 출력측의 레귤레이션 특성이 좋다. 또한 컨버터의 효율을 증가시키기 위해 출력측에 동기 정류기(synchronous rectifier)를 채용하였고 능동 클램프를 이용하여 변압기의 이용도를 높이고 영전압 스위칭이 가능하게 하였다. 하지만 본 회로의 경우 부하가 낮은 경우 링크 전압이 상당히 상승하게 되어 소자의 전압 스트레스가 증가 하게 된다. 이를 해결하기 위해 포워드 방식대신 비대칭제어를 사용하는 하프브릿지 토폴로지를 이용한 회로를 제안한다. 두 회로 모두 저주파리플을 링크 캐패시터에서 차단하므로 안정되고 저주파 리플이 작은 출력 전압을 얻을 수 있어 5V이하의 저전압에 유리하다.
최근 전자장비가 소형경량화함에 따라 전원장치의 소형화가 요구되고 있다. 이를 위해서는 전원장치의 고효율화와 함께 변압기, 인덕터등의 마그네틱소자의 소형화가 필요하다. 본 논문에서는 이러한 요구에 적합한 단일 전력단을 갖는 단상 공진형 컨버터를 제안한다. 제안된 컨버터는 스위치 전류를 공진파형태로 동작시킴으로써 스위칭손실을 줄여 고주파동작을 가능하게 하여 전반적인 전력단의 크기를 줄이며 기존의 단상 공진형 컨버터에서 발생하는 입력전류의 왜곡을 개선하였으며 출력전압의 저주파 리플을 줄였다. 따라서 본 컨버터는 수십W미만의 소용량을 가지며 소형경량화를 요구하는 장비의 전원장치에 적합하다.
지금까지 개발된 많은 단일 전력단을 갖는 단상 컨버터들을 대부분 부스트 컨버터에 여러 가지 형태의 컨버터를 조합한 형태로서 이단방식의 역률개선 컨버터와 달리 부하조건이나 입력조건에 따라 링크 전압이 가변되는 특성을 보이고 있다. 즉 경부하에서 링크전압이 과도하게 상승하므로 소자의 스트레스가 증가하여 컨버터 용량에 비해 내압이 상당히 큰 것을 사용하여야만 한다. 그런데 세계의 주요국가 특히 유럽의 여러 국가에서는 사용자의 안전 및 장비의 보호를 위하여 전원장치가 90Vrms에서 265Vrms에서도 동작이 가능하고 부하변동률도 최소 10%에서 100%를 요구하고 있다. 이에 대처하기 위해 여러 방식이 제안되고 있고 특히 PWM제어와 FM제어를 병행하는 가변 주파수제어(variable frequency control)기법을 사용하는 컨버터와 자기궤환(magnetic feedback)기법이 가장 적용 가능한 기법으로 논의되고 있다. 하지만 가변 주파수제어의 경우 주파수의 변동폭이 10배가까이 되어 필터 및 변압기등의 미그네틱 소자의 설계가 어렵고 자기궤환기법의 경우 입력전류의 왜곡이 심해 향후 규제가 더욱 강화될 경우 규제를 만족시키기 어렵다. 이를 해결하기 위하여 본 논문에서는 새로운 부스트 ICS 셀들을 제안하여 위의 두가지 문제를 근본적으로 해결하였다. 제안된 셀은 입력측의 에너지 중 일부를 링크를 거치지 않고 직접 부하측에 전달시킴을써 링크전압 스트레스를 감소시키는 기능을 가진다. 비록 저주파성분을 갖는 에너지가 출력측에 전달되나 그 양은 주 전력단에서 전달되는 에너지에 비해 작기 때문에 적당한 출력필터로 필터링이 가능하다. 따라서 제한한 ICS셀을 이용하면 입력 전압 및 부하의 변동범위를 확장시킬 수 있으며 포워드 토폴로지를 기반으로 한 단일 전력단의 AC/DC 컨버터에 적용하여 그 성능을 검증하였다.
본 논문에서는 단일 전력단을 갖는 단상 AC/DC 컨버터에서 발생하는 여러 문제를 해결하기 위해 4가지 형태의 컨버터를 제안하였다. 제안된 컨버터들은 국제적인 입력전류 고조파 규제를 모두 만족시키며 각기 특정 응용분야에 맞는 성능을 보이고 있어 향후 소용량 전원장치의 개발에 기여할 것으로 기대된다.
