To solve the non-ZVS operation of main power switch, many techniques are suggested. However, theses techniques require additional conduction loss, additional core loss, additional voltage and current stress, additional components and degraded core utilization.
Therefore, this dissertation suggests three new step-down ZVS converters and two new step-up converters.
First, new active clamp forward converter with improved ZVS performance is proposed. Since it uses the output inductor current ripple for the ZVS operation of main power switch, the ZVS operation is achieved by both of the ripple of magnetizing current and output inductor current. Therefore, more easy ZVS operation is guaranteed compare to the conventional one which uses only the ripple of magnetizing current for the ZVS operation of main power switch.
Secondly, high efficiency active clamp forward converter with transient current build-up (TCB) ZVS technique is proposed. The structure of the proposed converter is the same as that of the conventional active clamp forward converter. However, since it controls the secondary synchronous switch to build up the primary current during the very short period of them, the ZVS operation can be easily obtained without any additional conduction losses in transformer and clamp circuit. Furthermore, there are no additional circuits required for the ZVS operation of power switches. Therefore, the proposed TCB ZVS forward converter can achieve the high efficiency, high power density and low switching noise.
Thirdly, a new full ZVS-range variable transient current build-up (VTCB) asymmetrical half bridge converter is proposed. Since it controls the secondary synchronous switch to build up the current for the ZVS operation in a very short period of time, the ZVS operation of all power switches is easily achieved through all load condition without any additional conduction losses of magnetizing current. And also, large leakage inductor or additional components are not necessary. Furthermore, since the blocking capacitor in the secondary side of transformer prevents the unnecessary build-up of current in the heavy load condition and allows the current build-up as load goes down, the proposed converter makes the different current build-up condition and different ZVS operation with the load variation. The blocking capacitor also eliminates the DC offset of magnetizing current in the transformer. Therefore, the utilization of magnetic core is maximized.
As a step-up converter, first one is boost half bridge converter with boost current transferring ZVS operation. It is composed of additional diode and coupled winding to boost inductor of BHB converter. Using the transferring of boost inductor current to coupled winding, the cancellation of ZVS current, which always occurs in convention one, is prevented. Therefore, the ZVS operation is easily achieved by leakage inductor current of transformer. Furthermore, since negatively build-up leakage inductor current of boost winding helps the ZVS operation throughout full load range, the ZVS operation is always guaranteed.
Second one is a new boost half bridge converter with simple and short boost current cancelled ZVS operation. First of all, in proposed converter, the additional conduction loss, which reduces the efficiency of the converter presented in chapter 5 in light load condition, is greatly reduced. Therefore, in addition of full ZVS operation, a very small conduction and high efficiency throughout full load ranges are guaranteed. The operational principles, theoretical analysis, design example and experimental results are presented to confirm the validity of the proposed converter.
전력을 변환하는 전력 변환 회로는 크게 강압형 컨버터와 승압형 컨버터로 나누어 진다. 각 컨버터는 고유한 특성을 가지며 특정 적용 분야를 적합하도록 설계된다. 일반적으로 강압형 컨버터는 통신용 장비, 컴퓨터 서버, 군사용 또는 항공 시스템에 주로 사용 되어 지고 있다. 특히 분산 전원 구조 (Distributed Power Architecture)의 온-보트 컨버터는 높은 전압을 1V, 3.3V 및 5V로 크게 강압하기 때문에 고효율과 낮은 노이즈를 가지는 강압형 컨버터가 매우 중요한 역할을 하게 된다. 승압형 컨버터는 주로 전기 자동차, 연료 전지 자동차, 무정전 전원 공급장치 (Uninterruptible Power Supply) 및 태양광 전원 시스템에 이용 되어지고 있다. 이러한 시스템은 생산된 에너지를 효율적으로 사용 또는 저장하기 위해서 고효율의 승압형 컨버터가 매우 중요한 역할을 수행하게 된다.
전력 변환회로의 높은 효율, 낮은 노이즈 레벨 및 작은 사이즈를 위해서는 많은 고려 사항과 해결 기술들이 제안되었다. 그 중, 가장 주목할 만한 것이 소형화를 위한 주파수 증가에 따라 발생하는 스위칭 손실을 줄이기 위한 영전압 스위칭 기법이 있다. 하지만 기존에 제안된 영전압 스위칭 기법의 컨버터 들은 추가적인 소자나 추가적인 전류, 전압 스트레스를 수반하기 때문에 효율증가 및 사이즈 감소에 대한 효과가 미미하였다.
따라서 본 논문에서는 새로운 3가지의 높은 효율과 낮은 노이즈 레벨을 보이는 강압형 컨버터와 새로운 2가지 승압형 컨버터를 제안 하도록 한다.
첫째, 향상된 영전압 스위칭 특성을 가지는 능동 크램프 포워드 컨버터를 제안 하였다. 제안된 컨버터는 주 스위치의 영전압 스위칭을 위해 출력 인덕터의 전류 리플을 이용하기 때문에 영전압 스위칭이 트래스포머 자화 전류의 리플과 출력 인덕터의 전류 리플에 의해서 동시에 이루어 지게 된다. 따라서, 영전압 스위칭을 위해서 트랜스 포머의 자화 전류 리플만 이용하는 기존의 컨버터에 비해서 매우 향상된 영전압 특성을 보이며 높은 효율을 보인다.
둘째, 천이구간 전류 축적 방식을 가지는 높은 효율의 능동 클램프 포워드 컨버터가 제안 되었다. 구조의 간략화를 위해서 제안된 컨버터는 기존의 컨버터와 동일한 형태를 가진다. 하지만, 매우 짧은 시간동안 누설 전류를 축적하기 위해서 출력측 동기 스위치를 제어 하기 때문에, 영전압 스위칭이 트랜스포머나 클램프 회로에 추가적인 손실을 수반하지 않은면서 이루어 지게 된다. 뿐만 아니라, 영전압 스위칭을 위해서 추가적인 소자를 사용하지 않는 장점을 가진다. 따라서, 제안된 컨버터는 높은 효율, 높은 전력 밀도 및 낮은 스위칭 노이즈를 가지게 된다.
셋째, 부하 변화에 맞춘 천이구간 전류 축적 방식의 비대칭 하프-브릿지 컨버터를 제안 하였다. 제안된 컨버터는 매우 짧은 시간동안 영전압 스위칭을 위한 전류를 출력 동기 스위치의 제어를 통해서 축적하기 때문에, 추가적인 도통 손실을 수반하지 않으면서 모든 부하조건에서 영전압 스위칭을 이루게 된다. 또한, 트랜스포머 2차측에 위치한 블라킹 커패시터 (Blocking Capacitor)는 높은 부하에서의 불필요한 전류 축적을 방지하고, 부하가 작아질수록 영전압 스위칭을 위해 필요한 전류 축적을 증가시키기 때문에 제안된 컨버터는 부하 변화에 따라서 다른 전류 축적과 다른 영전압 스위칭 특성을 보이게 된다. 블라킹 커패시터는 트랜스포머의 자화 전류의 오프셋 전류를 없애는 역할도 수행하게 된다. 따라서 트랜스 포머의 코어 활동도를 극대화 할 수 있는 장점을 가진다.
넷째, 승압형 컨버터로 부스터 전류 전환을 통한 영전압 동작을 보이는 부스트 하프-브릿지 컨버터를 제안하였다. 제안된 컨버터는 기존의 부스트 하프-브릿지 컨버터의 부스트 인덕터에 추가적인 커플 와인딩 (Coupled Winding)과 추가적인 다이오드로 구성 하였다. 부스트 전류를 추가한 커플 와인딩에 전환 함으로써, 기존의 컨버터에서 발생하는 부스터 전류에 의한 영전압 스위칭 전류 저감 (Cancellation)이 발생하지 않게 된다. 따라서, 영전압 스위칭이 트랜스 포머의 누설 전류에 의해서 쉽게 이루어 지게 된다. 또한, 부스트 와인딩의 음의 방향으로 축적된 누설 인덕터전류가 영전압 스위칭에 도움을 주기 때문에, 모든 부하 영역에서 영전압 스위칭이 보장된다.
다섯째, 간단하며 빠른 부스트 전류 전환을 통한 영전압 스위칭을 이루는 새로운 부스트 하프-브릿지 컨버터를 제안하였다. 기본적인 영전압 스위칭 방식은 앞서 제안된 컨버터와 동일 하게 된다. 하지만, 제안된 컨버터는 앞서 제안된 부스터 전류 전환을 통한 영전압 동작을 보이는 부스트 하프-브릿지 컨버터의 낮은 부하에서 낮은 효율을 보이는 단점을 극복하기 위해서 빠른 부스트 전류 전환방식을 채택하였다. 이를 위해서 추가적인 스위치가 커플 와인딩에 삽입 되었다. 따라서 제안된 컨버터는 모든 부하영역에서 영전압 스위칭을 통한 낮은 노이즈와 낮은 도통 손실을 통한 높은 효율을 보장하게 된다.
제인된 강압형 컨버터와 승압형 컨버터은 간단한 구조를 가지며 높은 효율과 낮은 노이즈 레벨을 보이기 때문에 앞서 언급한 적용 분야에 적합하며 다른 분야에도 광범위하게 응용 가능할 것으로 개대 된다.