Recently, the plasma display panel (PDP) has brought more and more attention to the large area wall-hanging display area, constantly being developed for larger screen, higher resolution, thinner thickness, and lighter weight. However, as the panel size and the resolution are increased, the power consumption is also increased with a square ratio. Especially, most of the power is consumed during the sustaining operation, where the high voltage sustaining pulses are required for a PDP to emit light to discharge gas in cells. Therefore, the PDP sustaining power module (PSPM) should realize the high power density, high performance, and high efficiency over wide load ranges.
Among various PWM DC/DC converters hitherto developed for middle/high power application such as the PSPM over 400 W, the conventional Phase-Shift Full-Bridge (PSFB) converter is widely used, which provides all switching devices with the ZVS operation at the high frequency using the parasitic components. However, although the leading leg switches are easy to achieve ZVS with the use of reflected large output inductor current, the lagging leg switches are difficult to achieve ZVS under the light load condition because only the energy stored in the small leakage inductor is used. Therefore, since this converter is required to have the large leakage inductor to achieve the ZVS of lagging leg for the wide load range, it has several serious problems such as the large circulating energy, effective duty cycle loss, and serious parasitic ringing across the output rectifiers. To solve all these problems, this dissertation proposal suggests a new phase-shifted two-transformer full-bridge converter employing the output-voltage- doubler.
Firstly, a ZVS and soft-commutating two-transformer full-bridge PWM converter using output-voltage-doubler is proposed. It achieves the ZVS operation of lagging leg along the whole load ranges using the energy stored in the magnetizing inductor of transformers. Moreover, the voltage ripple difference between the output-voltage-doubler makes the primary current decay rapidly, thus the output rectifier diodes are commutated softly without voltage ringing and the circulating primary current is reduced in freewheeling state. Furthermore, when a large magnetizing inductor is used, the ZCS of lagging leg can be achieved. Especially, it has a doubled output/input voltage conversion ratio than the conventional converter, which makes the rated voltage across the output rectifier-diode to be a half that of the conventional converters.
Secondly, a ZVS Two-Transformer Full-Bridge(TTFB) PWM converter equipped with a new lossless diode-clamp rectifier is proposed. To extend the ZVS ranges of lagging leg, PSFB with series-connected two transformers converter is already suggested. However, the naturally doubled leakage inductor due to the series-connected two transformers contributes to achieve the ZVS of the lagging leg, it creates a serious voltage ringing across the output rectifier diodes. This results in the heavy voltage stresses across the rectifier diodes. Thus the dissipative snubber circuits are required in spite of the severe power dissipation. Therefore, a new lossless diode-clamp rectifier (LDCR) is employed as the output rectifier, which helps the voltage across rectifier diodes to be clamped at one half the output voltage (＄V_o/2＄) or a full output voltage (＄V_o＄). Therefore, no dissipative snubber circuits for the rectifier diodes are needed and a high efficiency as well as a low noise output voltage can be realized. In addition, the clamping capacitors of the LDCR can help the primary circulating current to be reduced considerably.
Finally, the two transformer full-bridge converter using integrated magnetic structure is proposed. The inherent disadvantage of conventional two transformer full-bridge converter is its use of the separated two transformers, which are required two magnetic components, thus increasing the cost and size of the system. The proposed converter integrates two transformers into a single core so that reduce core loss, size, and cost. The detailed analysis of the circuit operation and comparison with the opposite winding method have been addressed.
Therefore, the proposed converters effectively overcome the abovementioned all problems of the conventional converters and provides the simple structure, high efficiency, high performance, and high reliability. Especially, it would be well suited to high voltage application like PSPM.
평판 디스플레이 시장이 넓어지면서 대화면, 고화질, 박형, 경량 그리고 광시야각의 장점을 고루 갖춘 PDP가 크게 각광받고 있다. 이러한 장을 가진 PDP는 앞으로 더 넓은 화면과 고화질, 박형 등을 위해 지속적으로 연구되고 있다. 따라서, 화면이 커지고, 화질이 더 높아질수록 그에 따르는 전원들의 중요성 또한 크게 증가하고 있는 추세이다. PDP의 구동을 위해서는 다양한 전원이 필요한데 특히, 발광을 위한 유지 펄스를 인가해주는 유지 전원단은 전체 파워의 70% 이상을 차지할 만큼 중요한 전원이다. 유지 전원단은 PDP구동 중의 고전압의 유지 구동 펄스를 만들어주는 전원으로써, PDP 자체가 리액티브(reactive) 소자이고 동영상의 정보에 따라서 부하조건이 경부하에서 중부하까지 급격히 바뀌어야 하기 때문에 이러한 유지 구동 부하를 위해서 넓은 영역에서의 고효율, 고집적을 이루는 것이 필수적이다.
이런 고압의 유지 구동을 위한 전원단으로 기존의 위상천이 풀-브릿지 컨버터가 적합할 것이다. 위상천이 풀-브릿지 컨버터는 별도의 추가회로 없이 기생요소들의 공진을 이용해서 스위칭 소자들을 소프트 스위칭 할 수 있으므로, 고효율을 이룰 수 있었다. 하지만, 위상천이 풀-브릿지 컨버터는 작은 누설 인덕턴스로 소프트 스위칭을 이루는 지상 레그 스위치들이 경부하시에는 영전압 스위칭을 보장할 수 없고, 환류 구간동안 1차측에서 환류하는 전류로 인한 도통손실이 생기며, 기생 요소들간의 공진으로 인한 출력측 다이오드에 큰 전압 스트레스를 주게 된다. 따라서, 이런 문제점들을 해결하고자 본 논문에서는 전압 더블러를 적용한 두개의 변압기를 가지는 풀-브릿지 컨버터를 제안하도록 한다.
첫째, 출력 전압 더블러를 적용한 두 개의 트랜스포머를 가지는 위상천이 풀-브릿지 컨버터를 제안 하였다. 제안된 컨버터는 직렬로 연결된 두 개의 트랜스포머는 교번으로 트랜스포머와 인덕터의 역할을 수행하기 때문에 별도의 출력 인덕터가 필요 없으므로 간단한 구조와 제작이 용이하게 된다. 또한, 트랜스포머의 자화인덕터를 이용해 지상레그 스위치들의 영전압 스위칭을 넓은 영역에서 보장해 줄 수 있으며, 전압-더블러를 적용하여 출력 다이오드들의 전압 스트레스를 반으로 줄여 줄 수 있다. 특히, 전압-더블러의 리플 전압 차를 이용해서 출력 다이오드들의 전류 전환을 빠르게 이루어 주도록 하여, 1차측으로 환류하는 전류를 줄여주고, 출력 다이오드의 리버스 리커버(reverse recovery)에 의한 전압 서지를 줄여 줄 수 있었다.
둘째, 두개의 트랜스포머를 가지는 풀-브릿지 컨버터의 출력다이오드들을 위한 무손실 다이오드 클램프 회로를 제안하였다. 기존의 풀-브릿지 컨버터는 트랜스포머의 누설 인덕턴스와 출력 다이오드의 공진으로 인한 큰 전압 서지를 발생시키게 되고, 이로 인하여 부가적인 손실을 가지는 스너버 회로나 높은 정격의 다이오드를 이용하여야 한다는 단점을 가진다. 하지만 제안된 무손실 다이오드 클램프 회로는 출력 다이오드들을 모두 출력 전압으로 일정하게 클램프시키게 됨으로써 출력 다이오드들의 전압 스트레스를 줄이고 낮은 노이즈를 가지는 안정적인 출력전압을 공급하는데 도움을 주게 된다.
셋째, 제안된 컨버터들에 이용되는 두 개의 트랜스포머들을 하나의 자기소자(magnetic core)로 집적화 시켜 구현하였다. 기존의 두 개의 트랜스포머를 하나의 코어를 이용함으로써 함으로써 트랜스포머의 코어 활용도를 높이고, 높은 전력밀도, 저가격, 고효율, 고성능 컨버터로 이용 가능하게 되었다.
제안된 회로들은 공통적으로 넓은 부하영역에 대해서 영전압 스위칭을 보장할 뿐만 아니라 회로내의 순환전류를 최소화시켜 도통 손실이 매우 적고 유효 듀티(duty)의 손실이 적으며 회로발열 특성이 우수한 장점을 가진다. 제안된 회로의 동작, 유효성 및 분석의 타당성을 검증하기 위해 PDP 유지 전원을 위한 100kHz, 입력전압 385 VDC, 출력전압 170 VDC, 정격전력 425 W 사양으로 시작품을 제작하여 그 실험결과를 제시하였다. 제안된 컨버터들은 10%~100%에 달하는 넓은 ZVS 영역을 보장할 수 있었으며, 출력 다이오드들의 전압 스트레스를 낮춤으로써 90%이상의 높은 효율을 얻을 수 있었다.
끝으로, 제안된 컨버터들은 400W 이상의 PDP와 같은 용량성 부하 구동의 전원단에 적합하고, 고효율, 고집적을 요구하는 분야에 광범위하게 이용할 수 있으며 다른 브릿지 타입 토폴로지에 확장할 수 있을 것이라 기대된다.
