Although it is not as widely used as a step-down converter, the step-up converter in its own way finds many applications in areas such as electric vehicles, photovoltaic systems, and uninterrupted power systems, and the power capability requirements are ever increasing. However, it is very difficult to develop a high-power step-up converter with a high voltage conversion ratio due to the high input current problem which causes a serious conduction loss. The dynamic characteristics, including the right half-plane zero, non-uniform low-frequency gain, and narrow bandwidth, are also troublesome making engineers hesitate to involve themselves in developing a high-performance step-up converter.
As a solution to these problems, a new phase-shifted parallel-input/series-output dual inductor-fed push-pull converter is proposed. The new converter features a voltage conversion characteristic with a uniform low-frequency gain, high efficiency, low ripple content, low device stress, and stable wide-bandwidth response. This thesis presents the complete analysis, design, control, and experimental verification of the new converter.
In the mean time, the non-dissipative snubber, which is essential to high-efficiency operation of the proposed converter, is also investigated. The operation is thoroughly analyzed and the design considerations are presented.
Utilizing the results of this thesis, a high-performance high-power step-up power conditioning system, which is well suited not only to a static application but also to a dynamic application such as the electric vehicle, can be successfully realized.
승압 전력 변환 기술은 전기 자동차, 무정전 전원 장치, 서보 시스템 및 태양광 발전 등의 분야에 널리 쓰이고 있으며, 그 수요와 요구되는 전력 사양이 계속 증가하고 있다. 특히, 전기 자동차에 대한 연구가 활발해지면서 차세대 전원으로 연료 전지가 큰 관심을 모으고 있는데, 연료 전지는 그 단위 전지의 전압이 0.7V 정도로 비교적 낮기 때문에 전기 자동차의 인버터를 구동하기 위해서 수많은 단위전지가 직렬로 연결되어 사용되어야 한다. 이 경우 대용량 고성능 승압 전력 변환 기술을 적용하면, 적은 수의 단위 전지로 보다 간단히 구성되는 연료 전지를 이용할 수 있는 장점이 있다.
그러나, 일반적인 승압형 전원 장치를 이용해 높은 승압 비를 얻고자 하는 경우, 출력 전압에 비례하는 높은 입력 전류에 의해 기생 성분으로부터의 손실이 심각해지면서 전체적인 효율의 감소는 물론 원하는 승압 비조차 얻을 수 없게 되는 문제가 있다.
이에 대해, 본 논문에서는 대용량 승압 응용을 위한 새로운 전원 장치로 위상천이 병렬입력/직렬출력 모듈화된 듀얼 컨버터를 제안하였고, 제안된 컨버터에 응용하기 위한 무손실 스너버의 설계 방법을 제시하였다. 먼저, 제안된 컨버터의 기본 모듈인 듀얼 컨버터를 소개하면서 심도 있는 해석과 실험적 검증을 제시하였으며, 듀얼 컨버터에 적용된 무손실 스너버에 대해 완전한 해석과 유용한 설계 기준을 유도하였다. 다음으로, 제안된 위상천이 병렬입력/직렬출력 듀얼 컨버터에 대해 그 동작을 면밀히 살펴보았으며, 이를 바탕으로 그 수학적 모델을 도출하였다. 또한 정량적인 고찰을 통해, 기존의 PWM 방식의 컨버터보다 제안된 컨버터의 전압 변환 특성이 우수하며, 소자 스트레스가 작고, 맥동 성분이 작으며, 출력 전압의 동특성이 우수하다는 등의 사실을 보였다. 특히, 스위치의 전압 스트레스가 일정하면서 낮아 스위칭 손실이 작고, 내압이 낮은 저손실의 소자를 사용하여 높은 효율을 얻을 수 있다. 본 논문의 후반에서는, 제안된 컨버터를 위한 구동 방법을 제시하였고 세부적인 설계 방안을 제시하였으며, 평균 전류 제어를 위한 방법과 제어기 설계 방법도 자세하게 제시하였다. 끝으로, 제안된 회로의 동작, 유효성 및 분석의 타당성을 검증하기 위해 연료 전지 전기 자동차 응용을 위한 50kHz, 400-1200W, 18-30Vdc 입력, 310Vdc 출력 사양으로 궤환 제어되는 시작품을 제작하여 그 실험 결과를 제시하였다.
우수한 전압 변환 특성, 고효율, 낮은 맥동 성분, 안정적이고 빠른 동특성을 보이는 제안된 컨버터는 일반적인 정적 대용량 승압 응용 뿐만 아니라 전기 자동차와 같이 빠른 동특성을 요구하는 분야에도 유용하게 사용될 수 있다.
