Nowadays, the power factor correction(PFC) has become mandatory in ac/dc converters to meet tight regulations such as an IEC 61000-3-2 standard. A single-stage power processing has been widely adopted due to the cost-effective and simple control compared to a two-stage approach even though a two-stage approach shows better performances than a single-stage ones. It is well known that the boost PFC stage can shape an input line current to a sinusoidal waveform under the discontinuous conduction mode(DCM). Thus, most of ac/dc converters have integrated the output dc/dc converter with the boost PFC stage to obtain the single-stage PFC converters. The major problem of these types of PFC converters is a high voltage stress across the link capacitor and active power devices at high line input and light load conditions. Therefore, it is necessary to develop converter topologies to solve this problem for universal line applications. In this thesis, a new concept and topologies are proposed for a single-stage PFC ac/dc converters.
Based on flyback topology, a single-stage zero-current-switching(ZCS) quasi-resonant ac/dc converter with low dc link capacitor voltage is proposed. It has many advantages such as simple circuit, cost-effective, and high power density for low power applications. The proposed converter can effectively reduce the voltage stress on the dc link capacitor and can achieve the power factor correction without a dead band at line zero-crossings, which improves the harmonic distortion in ac line current. Furthermore, it is possible to reduce the power loss of a semiconductor power switch by making use of zero-current switching quasi-resonant operation. However, the converter has a disadvantage such that input filter design is very difficult because of a variable switching frequency control. To solve this problem, a single-stage, single-switch bi-flyback ac/dc converter is proposed. The main flyback stage controls the output power from the link capacitor voltage with DCM or CCM operation, while an auxiliary flyback stage supplies the power to the output directly from ac line input with DCM operation. Its performance characteristics are almost similar to ZCS converter, but, it is a fixed switching frequency control and the efficiency is higher than that of ZCS one.
A high efficiency single-stage asymmetry half bridge ac/dc converter for power factor correction is proposed. The proposed converter uses four switches instead of two switches of the conventional half-brodge topologies, which imposes one-half the link capacitor voltage on the power switches so that it can be suitable for the universal line input(90 ~ 265 Vrms). It features wider range of zero-voltage-switching(ZVS) than that of the conventional one, low line-frequency ripple at the output, and high power factor as well as a low voltage stress on the power switches. In addition, the proposed topology can be operated by phase shift control, which can improve ZVS capabilities of switches.
최근, 직류/교류 변환 컨버터에서 IEC 61000-3-2 와 같은 전류 하모닉에 대한 규제가 강화되어 역률개선(PFC) 회로는 필수적되고 있다. 단일 전력단변환 방식은 이중 전력단 방식에 비해 제어하기에 용이하고 비용절감적이어서 비록 성능은 이중 전력단 방식보다 열세지만 실제 응용에서 광범위하게 채택되고 있다.
일반적으로 부스트 PFC 단을 불연속 전류 모드로 동작시킴으로써 입력 라인 전류를 정현파 형태로 흐르게 할 수 있게 된다. 따라서, 현재 널리 적용되고 있는 PFC 컨버터는 이러한 부스트 PFC 단과 출력 직류/직류 변환단을 하나로 결합시키고 있다. 그러나, 이러한 구조의 컨버터는 유니버살 라인 입력과 경부하시 에너지 저장 커패시터에 아주 높은 전압 스트레스가 발생하는 문제가 생기게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 논문에서는 고 전압 스트레스를 저감할 수 있는 새로운 컨버터 토폴로지를 제안하였다. 직류 링크 전압을 억제하는 기본적 개념은 입력 전력의 일부를 링크 커패시터에 축적하지 않고 직접 출력으로 전달하는 것이다.
플라이백 토폴로지를 근간으로 하는 영 전류 스위칭(ZCS) 의사공진형(Quasi-Resonant) 컨버터는 직류 링크 전압을 450 V 이하로 억제하면서 기존의 문제점이었던 제로점 교차시 데드 밴드 문제를 자동적으로 해소하는 특징을 가지므로 고조파 전류를 줄여주고 높은 역률을 얻을 수 있다. 또한, 스위칭 주파수 300kHz 의 고주파 공진형으로 컨버터를 구동함으로써 작은 크기의 트랜스포머 및 인덕터를 사용할 수 있으므로 전력밀도를 높일 수 있는 장점이 있다. 본 방식은 스위칭 주파수를 가변하여 제어하는 방식으로 교류 입력 라인의 최적 필터를 설계하는데 단점을 가진다. 가변 주파수 제어 방식과 고정 주파수 제어 방식의 성능을 비교 분석하였다. 고정 주파수 제어방식은 공진형 ZCS 방식과 같은 구조를 가지면서 공진 인덕터와 캐패시터만 제거된 구조로서 역률, 효율 및 하모닉 특성 등 컨버터 성능은 거의 유사하고 직류 링크 전압도 거의 같은 수준으로 유지되었다. 그러나, 후자는 트랜스포머와 인덕터의 크기가 더 커져서 전력밀도면에서 전자에 열세하다.
링크 전압과 전력 스위치의 전압 스트레스를 낮추는 또 다른 컨버터 토폴로지로서 고 효율 단일 전력단 비 대칭 하프 브리지(Asymmetry Half-Bridge) 구조를 제안하였다. 본 방식은 기존의 하프 브리지 구조와 같으면서 전력 스위치를 4 개 사용함으로써 스위치가 꺼졌을 때 항상 링크 전압의 1/2 이 걸리도록 하는 것이다. 이렇게 함으로써 유니버설 입력 전압이 가능해지고, 스위치 출력 커패시턴스를 이용하여 영 전압 스위칭(ZVS)이 되므로 전력 변환 효율이 한층 더 높아지게 된다. 또한, 동일한 구조에서 위상 시프트 제어가 가능해서 트랜스포머의 적은 누설 인덕턴스로도 ZVS 성능이 개선된다.
