Recently, many high efficiency and high power density dc-dc power modules have been proposed for the distributed power system of the server and telecommunication applications. Among these power modules, a conventional phase shift full bridge (PSFB) converter is one of the popular topology for medium or high power applications, which has desirable features such as the zero voltage switching (ZVS) operation and high efficiency. However, conventional PSFB converters have two serious disadvantages that the ZVS range of the lagging leg is very narrow and the freewheeling current consumes high circulating energy.
As a solution to the narrow ZVS ranges, a new PSFB converter with series-connected two transformers (SCTT) is proposed. The proposed converter shows wide ZVS ranges and no output inductor is needed since each transformer individually act as an inductor or a transformer during different times of the switching cycle. In addition, to cope with the high circulating energy, a new method based on the PSFB converter with SCTT, which is a capacitor is added in the primary side of the based converter, is proposed. The new method makes the turn ratio of the transformers increase as well. Therefore, the efficiency of the proposed converter is more increased. And it will be shown the proposed converter can be used for an ac-dc application with power factor correction (PFC).
The operational principle, large signal modeling, and design equations are presented. Experimental results demonstrate that the proposed converter can achieve a significant improvement in the efficiency for 100 W (5 V, 20 A) telecommunication on-board power supply.
The proposed converter is suitable for the server and telecommunication equipment using 48 V bus voltage and requiring the high efficiency and high power density.
코드 분할 다중 접속 (CDMA) 장비, 차세대 이동통신 (IMT-2000) 장비, 자동 교환기 등의 통신 장비 등에서는 작은 사이즈, 특히 낮은 높이를 가지면서 고품질의 전원을 높은 효율로 공급해줄 수 있는 전력 공급 장치를 요구하고 있다. 최근 통신 분야의 발달과 더불어서 낮은 전압과 큰 전류를 출력으로 하는 중대용량의 고효율 컨버터 개발은 꼭 필요한 연구 분야라 할 수 있다.
위상 천이 풀 브릿지 컨버터는 스위치들의 게이트 신호에 시간 지연을 두는 것만 으로도 별도의 추가 회로 없이 능동 소자들을 소프트 스위칭 할 수 있으므로, 스위칭 손실을 줄여 효율을 높일 수 있다는 점에서 중대용량에 가장 많이 쓰이고 있는 회로 중 하나이다. 하지만, 위상 천이 풀 브릿지 컨버터는 다음과 같은 두 가지 단점을 가지고 있다. 첫째, 진상 레그 (leading leg) 에 있는 스위치들의 경우는 스위칭을 할 때에 2차측의 출력 인덕터가 1차측에 반향되어 보이게 되므로, 에너지가 충분해서 영전압 스위칭하는 데에 문제가 없지만, 지상 레그 (lagging leg) 에 있는 스위치들의 경우, 누설 인덕턴스만이 1차측에 존재하므로 부하가 작을 때에는 영전압 스위칭을 보장할 수 없으므로 효율의 저감을 초래한다. 둘째, 환류 구간동안에 1차 측에서 환류하는 전류에 의해 발생하는 도통 손실에 의한 효율의 저감이다.
본 논문에서는 주 트랜스포머를 두 개로 나누면서 출력 인덕터의 역할까지도 겸할 수 있도록 하는 새로운 형태의 위상 천이 풀 브릿지 컨버터를 제안했다. 직렬로 연결된 두 개의 트랜스포머는 교번하면서 트랜스포머로서의 역할과 인덕터로서의 역할을 수행하게 된다. 부하조건이 작아질수록 각 트랜스포머에 흐르는 자화전류가 지상 레그쪽 스위치의 영전압 스위칭을 쉽게 해주는 방향으로 흐르게되므로, 모든 부하 영역에 대해서 네 개의 스위치가 모두 쉽게 영전압 스위칭을 할 수 있는 장점을 갖는다. 통신 장비에서 많이 사용하는 온-보드형 컨버터의 사양인 48 V 입력에 대해서 5 V, 100 W 출력을 얻는 프로토타입을 설계, 제작하여 실험을 통해 검증했다. 최대 94% 효율과 정격 90%의 효율을 얻었다.
3장에서는 1차측에 캐패시터를 하나 첨가하여서 환류구간 동안에 흐르는 환류 전류를 감소시켜서 도통 손실을 줄이는 방법을 제안했다. 제안한 방법에 의해서 환류 전류가 크게 감소하게 되었고, 같은 사양에 대해 실험을 통해 검증한 결과 약 1%정도의 효율 상승을 확인할 수 있었다.
4장에서는 직렬 연결된 두 개의 트랜스포머를 사용하는 방법을 단일 전력단 교류-직류 (ac-dc) 컨버터에 적용을 시키는 방법을 고안했다. 110 V rms 입력에 25 V, 125 W 출력을 얻는 프로토타입을 제작해서 실험한 결과, 상당히 높은 효율과 역률, 그리고 낮은 입력 전류 왜곡을 확인할 수 있었다.
본 논문을 통해서 제시된 직렬 연결된 두 개의 트랜스포머를 갖는 위상 천이 풀 브릿지 컨버터는 고효율, 고집적을 요구하는 분야에 광범위하게 적용될 수 있을 것이라 생각된다.
