Nowadays, power supply market needs the server power supply with high power density and high efficiency. To meet this trend, many researches are conducted in power companies and many of them are focused on the DC/DC converting part in a server power supply. There are two types of converter topologies which are widely used in middle power application, conventional half-bridge converter and asymmetric half-bridge converter. However, these two types of converters have critical problems. Symmetric half-bridge converters operate under hard switching condition, which cause severe EMI problem and heat problem. In asymmetric converters, DC offset current which degraded transformer utilization is existed. The proposed A ZVS four level half-bridge converter with small output filter inductor overcome those problems which are showed in symmetric and asymmetric half-bridge converters by employing auxiliary transformer and auxiliary switches. Also the proposed converters have less stress on power switching components and have smaller output inductor. The operational principle, ZVS condition and output filter analysis are presented. Experimental results are demonstrated to verify the feasibility and advantages of the new topologies.
오늘날 세계의 산업을 이끄는 주된 원동력인 화석 연료는 그 한정된 매장량으로 인해 해마다 그 가격이 급등하고 있다. 뿐만 아니라 이런 화석연료의 무분별한 사용은 지구 환경 변화라는 심각한 문제점을 낳게 되어 세계 각국은 자율적인 또는 강제적인 규제를 만들어 그 사용 양에 제한을 두고 있다. 이러한 상황에서 나날이 급증해가는 서버파워 서플라이 시장은 새로운 환경 오염원으로 각국의 주목을 받고 있으며 이에 세계 유수의 PC 업체들은 ‘친환경 기후보호 계획’을 만들어 서버파워의 효율을 높이기 위한 노력을 하고 있는 실정이다.
이번 논문에서는 고효율 서버파워 서플라이 구현을 위해 DC/DC 컨버터 단. 특히, 중용량 급 DC/DC 컨버터를 개선시켜 효율을 높일 수 있는 방안을 연구해 보았다. 중용량 급 DC/DC 컨버터의 대표적인 토폴로지로는 컨벤셔널 하프브릿지 컨버터가 있다. 1차 측이 두 개의 메인 스위치와 하나의 트랜스포머로 구성되어 비교적 간단한 구조로 동작한다는 장점을 가지지만 1차 측 스위치가 하드 스위칭하여 이보다 개선된 형태인 비대칭 하프브릿지 컨버터가 좀 더 널리 쓰이고 있다. 하지만 이런 비대칭 하프브릿지 컨버터도 컨버터가 가지는 고유의 비 대칭적인 특성 때문에 입력전압의 변화가 있는 경우에는 정상상태에서의 특성이 심각히 저하된다는 단점을 가지고 있다. 이와 같은 단점을 개선시킨 고효율 DC/DC 컨버터 설계를 위해 본 논문에서는 정상상태에서 메인스위치가 항상 0.5 듀티로 동작을 보조 스위치를 추가하여 입력전압의 감소시에 이를 보완해 줄 수 있는 새로운 고효율 멀티레벨 하프브릿지 컨버터가 제안되었다.
제안하는 컨버터는 기존의 하프브릿지 컨버터의 구조를 기본으로 하고 추가적으로 전류용량이 작은 보조 스위치와 크기가 작은 보조 트랜스포머를 사용하는 형태를 띤다. 또한 스위치의 구동은 비교적 간단한 페이즈 이동 방법을 사용하여 구동한다. 이와 같이 보조회로를 추가함으로써 제안하는 회로는 다음과 같은 장점을 가질 수 있다. 제안하는 회로는 기존의 비대칭 하프브릿지의 장점인 영전압 스위칭 조건을 유지하면서도 선형적인 입출력 관계, 대칭적인 소자의 스트레스 특성을 가지며 비대칭 하프브릿지 컨버터에 존재하는 자화전류 옵셋 등을 없앰으로 인해 컨덕션 로스의 저감을 이루었다. 추가적으로 제안하는 회로의 경우 출력 필터에서 보이는 주파수의 크기가 스위칭 주파수에 비해 두 배 크게 보이기 때문에 출력 인덕터의 사이즈를 줄일 수 있게 되어 보조 트랜스포머가 추가됨으로 인해 생기는 코어 부피의 부담을 줄일 수 있게되었다.
제안된 새로운 컨버터의 동작과 특징을 검증하기 위해서 700W 서버 파워 서플라이 사양으로 비대칭 하프브릿지 컨버터와 제안하는 컨버터를 각각 제작하여 실험 하여 보았다. 회로의 전압과 전류 파형비교를 통해 제안하는 회로에서 개선된 대칭적인 특성을 확인할 수 있었으며 두 회로가 동일한 영전압 스위칭 범위를 가질 수 있게 설계한 상황에서 두 회로의 효율을 측정하였다. 효율 측정 결과 전 부하 범위에서 컨덕션 로스를 저감시킨 제안하는 회로가 더 좋은 동작을 보임을 확인할 수 있었다.
결론적으로, 제안한 회로는 예상했던 효과를 모두 검증하고 확인 할 수 있었다. 제안하는 회로는 추가적인 소자가 사용된다는 단점을 가지고 있지만 기존에 가졌던 효율 향상이란 목적을 달성할 수 있다. 추후 과제로, 제안하는 회로와 유사한 구조를 가지는 페이즈 시프트 풀브릿지 컨버터와의 구체적인 비교가 필요하며 새롭게 적용되는 보조 회로의 개념을 풀브릿지 컨버터에 적용시켜보는 연구가 필요하다.
