Commercially, the widely used converter is flyback converter. Because it has no output inductance, so its cost is much lower than other converters. In addition, it has no reset circuit for magnetizing inductance; as a result, the power system has a less mass, and light weight. But it has several problems, and one of the most serious problems is hard switching operation of main switch. Hard switching causes high voltage surge across switch and diode, which renders too much stress on switch and diode, especially in high voltage applications. To remove the hard switching problem, conventional half bridge flyback converter (HBFC) 1 was proposed.
In conventional HBFC 1, the main switch is zero voltage switched (ZVS) by leakage inductance. Moreover, in flyback converter, the voltage of main switch is the sum of the input source voltage $(V_s)$ and reflected output voltage $(V_o/n)$, but in conventional HBFC 1, the voltage stress of switches are clamped to input voltage. So, in voltage stress aspect, the conventional HBFC 1 is much better than flyback converter.
However, conventional HBFC 1 also has some problems: one is narrow ZVS range of main switch; and the other is reverse recovery problem of rectifier diode, which causes tremendous voltage oscillation across diode. To widen the ZVS range of main switch and solve the diode reverse recovery problem, conventional HBFC 2 was proposed.
In conventional HBFC 2, ZVS of main switch is realized by magnetizing current, and the ZVS range of main switch is much wider than conventional 1. To eliminate the reverse recovery problem, diode ZCS is realized by the resonance of leakage inductance and blocking capacitance. Finally, voltage oscillation caused by diode reverse recovery problem is reduced to some extent. However, even if switch ZVS and diode ZCS are assured, voltage oscillation across rectifier diode still exists.
In conventional HBFC, the diode is equally modeled as the ideal diode. When diode is blocked, the equivalent model is an open circuit; and of course there is no voltage analysis across junction capacitance of diode.
To find out which causes the voltage oscillation, and to eliminate it, an exact analysis across junction capacitance across diode is necessary. And the voltage oscillation analysis is for deducting optimized design guidelines for reducing oscillation.
For giving the reason why diode ZCS is a necessary operation for reducing voltage oscillation, another HBFC is analyzed which is not ever proposed.
The operation analysis, and equivalent resonant circuit analysis, and design optimization are presented. For a high voltage application, PDP power sustain module is targeted, and a prototype of 400W and 200V is designed to confirm the proposed design optimization, and experimental results are shown at last.
상업에서 실제로 가장 많이 사용되고 있는 컨버터가 플라이 백 컨버터이다. 가장 중요한 이유중의 하나가 가격 면에서 아주 매력적인 장점을 갖고 있기 때문이다. 플라이 백 컨버터의 구성을 보면 일단 출력 측에 인덕터 필터가 없어서 가격 면에서 훨씬 유리하고 부피도 줄어들고 무게도 가벼워지는 장점이 있다. 뿐만 아니라 트랜스포머의 자화 인덕터의 리셋 회로도 필요 없어서 구조적으로 아주 간단하다는 장점을 갖고 있다. 하지만 문제가 하나 존재하는데 그것은 스위치가 하드 스위칭하면서 스위치 양단에 큰 전압 서지가 생겨서 스위치에 스트레스를 증가시키는것이다. 플라이 백 컨버터의 구조 특성상 스위치 양단 전압은 이상적으로는 입력 전압과 반사된 출력 전압이 더해져서 걸리기 때문에 전압 서지가 없는 상황에서도 스위치 내압은 크다. 그런 상태에서 전압 서지까지 더해지면 스위치에는 너무 큰 스트레스가 부담이 되게 된다. 물론 출력 측 다이오드 양단에도 같은 전압 서지가 실리게 된다.
그리하여 스위치와 다이오드 양단의 전압 서지를 줄이고자 RC 혹은 RCD 스너버를 많이 사용한다. 이런 스너버들은 전압 서지나 오실레이션을 줄이는 기능은 탁월하나 커패시터 양단에 걸리는 전압에 비례하게 손실이 생기기 때문에 효율 면에서 불리하다. 특히나 높은 전압 어플리케이션에서는 파워 손실이 너무 크기 때문에 사용 할 수가 없다.
따라서 이런 추가적인 회로 없이도 스위치 하드 스위칭문제를 해결 할 수 있는 하프 브리지 플라이 백 컨버터가 제안이 되였었다. 이 컨버터는 기존의 플라이 백 컨버터에서 트랜스포머 일차 측을 하프 브리지 형태로 구성함으로써 누설 인덕턴스로 메인 스위치 소프트 스위칭시켜서 전압 서지 문제를 해결하였다. 이 컨버터는 스위치 양단 전압 서지는 없앨 수 있었지만 다이오드 양단 전압 오실레이션은 여전히 아주 심각하다. 그 원인은 정류다이오드의 역 회복 문제 때문에 발생되는 것이다. 뿐만 아니라 누설 인덕턴스로 메인 스위치를 영 전압 스위칭을 시키기 때문에 영 전압 스위칭범위가 좁다는 단점도 있다.
그리하여 영 전압 스위칭범위를 넓히고자 새로운 하프 브리지 플라이백 컨버터가 제안이 되였는데 이 컨버터의 구성은 기존의 하프브리지 플라이백 컨버터와 동일한데 동작을 달리하였을 뿐이다. 즉 영 전압 스위칭범위를 넓히고자 누설 인덕턴스 대신 자화 인덕턴스로 스위치를 영 전압 스위칭시키는 것이다. 뿐만 아니라 누설 인덕턴스와 블로킹 커패시터를 공진시켜 다이오드를 영 전류 스위칭하도록 하게 하여 다이오드의 역 회복 문제로 인한 전압 오실레이션을 어느 정도 줄일 수 있게 되였다. 하지만 다이오드 양단에는 여전히 큰 전압 오실레이션이 존재한다.
그리하여 본 논문에서는 이 전압 오실레이션에 대한 상세한 해석을 통하여 이 전압 오실레이션에 영향을 주는 요소들을 찾아내고 전압 오실레이션을 줄일 수 있는 가이드 라인을 제시하여 전압 오실레이션을 줄이는 최적화된 설계를 제시하는 것이다.
본 논문에서는 연구 대상인 높은 전압 어플리케이션중의 하나로 400W-200V 출력을 갖는 PDP 파워 서스테인 모듈의 사양에 맞추어 프로토타입을 제작하여 실험하였다. 실험결과를 통하여 전압 오실레이션을 줄이는 최적화된 디자인 가이드 라인의 정확성과 합리성을 검증하였다.
