With the recent development of information technology, the markets of power management for telecom, server, and display equipments are gradually increasing. Distributed power architecture (DPA) is popular in these applications for its high performance, efficiency, and reliability. AC/DC front-end converter, the heart of DPA, is under pressures of continuous increasing efficiency and power density. Therefore, technologies need to be continuously developed to fulfill the future requirements.
Switching mode power supply (SMPS) consists of passive components, such as inductor and a capacitor, and switching devices, i.e., MOSFET, IGBT, diode and so on. The performances of these semiconductors are highly affected by its voltage rating. In case of MOSFET, the lower voltage rating is, the smaller its on-resistance is. In case of diode, the lower voltage rating is, the smaller the forward voltage drop and the reverse recovery are. Therefore, to improve the power converter efficiency, minimizing the voltage stress on semiconductor is one of the most important design considerations.
General power architecture including DPA, which uses AC line as its input source, consists of three stages; (1) power factor correction (PFC) stage to regulate harmonics in the input current; (2) isolated DC/DC stage to provide a galvanic isolation and a stable DC bus voltage or a main output voltage; (3) load converter such as a point-of-load converter (POL) or a voltage regulator module (VRM) to tight regulate the output voltage of each load from the bus voltage. A loosely regulated output voltage of PFC stage, about 400 V, becomes the input voltage of an isolated DC/DC converter and it considerably affects to the voltage stress on the primary side. Similarly, the voltage stress on the secondary side is mainly affected by its output voltage. Especially, an isolated DC/DC stage is given a great deal of weight on volume and efficiency of the total power system. Therefore, careful attention must be paid to the effort to reducing voltage stress of devices and selecting high performance devices for an isolated DC/DC stage.
In this dissertation, the research is focused on the topology development, the operational method, and the design for having reduced voltage stress in the isolated DC/DC stage of AC/DC front-end converters. In addition, high step-up converters with distributed voltage stress are studied. The research is divided into four parts as follows.
$\Bf{Part I. Active-clamp forward converter with low switch voltage stress for high input voltage application}$
An active-clamp forward (ACF) converter is one of the most popular topologies in low-to-medium power applications because of its simple structure, small transformer size, and ZVS ability. However, both switches of ACF converter suffer from high voltage stress, i.e., sum of the input voltage $V_{S}$ and the reset capacitor voltage $V_{Cc}$. Therefore, it is not suitable for high input voltage applications such as an AC/DC front-end converter whose input voltage is around 400 V and generally high cost 800 V switch is used in this way. To reduce the switch voltage stress and make it possible to utilize the low cost and high performance $500 V \sim 600 V$ switch, which have small on-resistance, three types of ACF converters are proposed as follows.
I-1. Two-switch ACF converter with one clamp diode and delayed turn-off gate signal
I-2. Three-switch ACF converter with reduced switch voltage stress and wide ZVS range
I-3. Series-input series-rectifier interleaved forward converter with common active-clamp circuit
$\Bf{Part II. Rectifier voltage stress reduction technique for isolated type converter }$
The voltage stress on the rectifier in isolated type converters is mainly affected by topology selection and design, and is proportional to the output voltage as well. Especially, in such applications as PDP power module which requires about 200 V output, the usage of high performance Schottky diode is unavailable and a general fast reverse-recovery diode is utilized. In this case, as the voltage rating is increased, the forward voltage drop is increased and a reverse recovery problem becomes more severe, which gives detrimental effect on the cost and efficiency. Therefore, to reduce the rectifier voltage stress for four types of topologies in high output voltage applications, several solutions are made as follows.
II-1. Voltage oscillation reduction technique for phase-shift full-bridge converter
II-2. Double-ended half-bridge zeta converter
II-3. PWM resonant single-switch isolated converter
II-4. Design of LLC resonant converter with small rectifier voltage oscillation
$\Bf{Part III. Non-isolated high step-up converter with distributed voltage stress }$
For a battery-powered system, electric vehicles, fuel cell system, and photovoltaic systems, where low voltage sources need to be converted to the high voltage of output or bus, recently, non-isolated high step-up conversion techniques find increasing necessities. A classical boost converter is generally used, since it has several advantages such as simple structure, continuous input current, and clamped switch voltage stress to the output voltage. However, it is very difficult to satisfy both high voltage conversion ratio and high efficiency at once. This is primarily due to the parasitic resistances, which cause serious degradation in the step-up ratio and efficiency as the operating duty increases. Moreover, in high output voltage applications, high voltage diodes cause a severe reverse recovery problem, which requires a snubber circuit, and high voltage switch even more increases switching loss and conduction loss. As a result, a general boost converter would not be acceptable for high step-up applications. To overcome these limitations, three types of step-up converters, which have distributed voltage stress for utilizing high-performance low voltage switch and diode, are proposed as follows.
III-1. Sepic-integrated boost converter
III-2. Two-phase boost converter integrated with two-inductor current-fed converter
III-3. High step-up stacked converter based on boost-integrated half-bridge converter
It is noted that the concepts and operations of various solutions proposed in this dissertation can be applied to other types of circuit to reduce the voltage stress on device and be expected to apply to industrial applications.
$\Bf{Part IV. Appendix}$
In addition to the research on DC/DC converter having low voltage stress on device, various kinds of topologies are studied with regard to current-fed type converters, a PDP sustain driver, and a resonant converter, as follows.
IV-1. Two-transformer current-fed converter with wide duty range
IV-2. Isolated ZVS two-transformer boost converter
IV-3. AC-PDP single sustaining driver employing voltage stress reduction technique
IV-4. LLC resonant converter with auxiliary circuit for hold-up time
$\Bf{ 낮은 전압 스트레스를 갖는 DC/DC 전력변환회로 토폴로지에 관한 연구}$
스위칭 모드 전력변환회로는 필터를 구현하는 인덕터와 캐패시터, 그리고 스위치를 구현하는 반도체 소자로 구성된다. 일반적으로 고속 스위칭 구현을 위한 소자로서 MOSFET, IGBT 및 다이오드가 널리 사용되며 이들 반도체 소자들은 최대 허용 전압 스트레스에 의해서 그 성능이 크게 좌우된다. MOSFET의 경우 전압 내압이 낮을수록 도통 저항 ($R_{ds-on}$) 이 줄어들며, 다이오드 역시 전압 내압이 낮을 수록 순방향 전압 강하 ($V_{F}$) 및 역회복 시간 ($T_{RR}$) 이 줄어들게 된다. 따라서 전력변환회로의 성능 및 효율을 향상시키기 위해서는 반도체 소자의 전압 스트레스를 최소화시켜 고성능의 소자를 사용하는 것이 설계 시 주안점 중의 하나이다.
서버 용 전원 장치, PC 용 전원 장치, 및 대다수의 전력변환회로는 AC 라인을 입력으로 사용하며, 다음과 같이 구성된다; (1) 입력 전류의 고조파 규제를 만족하기 위한 역률 개선 (PFC) 컨버터; (2) 절연 및 안정적인 버스 전압과 주요 출력 전압을 제공하기 위한 절연 형 DC/DC 컨버터; (3) 버스 전압으로부터 각 부하에 필요한 전압을 공급하기 위한 로드 컨버터 (POL/VRM). PFC 컨버터의 출력전압 (400 V) 이 절연 형 DC/DC 컨버터의 입력 전압 ($V_{S}$) 이 되며, DC/DC 컨버터의 1차측 스위치의 전압 스트레스에 영향을 주게 된다. 마찬가지로 2차측 정류단의 전압 스트레스는 출력전압 ($V_{O}$) 에 크게 영향 받게 된다. 특히나 절연 형 DC/DC 컨버터는 전원 시스템에서 가장 큰 비중을 차지하고 있으므로 이것의 성능은 전체 전원 장치의 성능에 가장 큰 영향을 주게 된다. 따라서 DC/DC 컨버터의 1차측과 2차측 모두에 걸쳐 낮은 전압 스트레스를 가지는 고성능의 반도체 소자의 사용을 위한 토폴로지 선정 및 설계에 많은 노력을 기울여야 한다.
본 논문에서는 DC/DC 컨버터의 반도체 소자의 전압 스트레스를 낮추기 위한 토폴로지, 동작 방법, 및 설계에 관하여 연구하고자 하며, 다음과 같이 크게 3가지 주제에 대하여 연구를 진행하였다.
$\Bf{ [1] 낮은 스위치 전압 스트레스를 갖는 능동 클램프 포워드 컨버터}$
2 개의 스위치를 사용하는 능동 클램프 포워드 (ACF) 컨버터는 영전압-스위칭 (ZVS) 동작 및 작은 변압기 크기로 인하여 중급 용량에서 널리 사용되는 토폴로지이다. 하지만 두 스위치의 전압 스트레스가 $V_{S}$와 클램프 캐패시터 전압 ($V_{Cc}$) 의 합인 $V_{S}$/(1-D)가 됨으로써 400 V 입력에서는 고가격의 800 V 스위치의 사용이 일반적이다. 특히 보조 스위치에 비하여 큰 부하전류까지 감당하여야 하는 주 스위치의 부담은 한층 더 증가하게 된다. 따라서 주 스위치의 전압 스트레스를 저감하여 $500 \sim 600 V$ 의 저가격 고성능 스위치를 사용하기 위하여 아래와 같이 3가지 토폴로지를 제안하여 실험으로 검증하였다.
[1-1] 2개의 직렬 연결된 주스위치를 가지는 ACF 컨버터에 하나의 클램프 다이오드와 지연된 턴-오프 게이트 신호를 이용하는 간단한 방법으로 각각의 주스위치의 전압 스트레스를 $V_{S}$ 및 $V_{Cc}$로 제한하였다. 따라서 2개의 주스위치를 위하여 500 V 스위치를 사용함으로써 1차측의 도통손실을 줄일 수 있었으며, 또한 직렬 연결된 스위치의 등가 출력 캐패시터가 작아지므로 ZVS 영역을 확장시켜 스위칭 손실을 줄일 수 있었다.
[1-2] 2개의 직렬 연결된 주스위치를 가지는 ACF 컨버터의 능동 클램프 회로의 위치를 변경하여 $V_{Cc}$의 전압을 줄임으로써 주 스위치뿐만 아니라 보조 스위치의 전압 스트레스까지 저감되어 3개의 스위치에 대하여 모두 600 V의 스위치를 사용할 수 있었다. 또한 ZVS 영역이 확장되어 스위칭 손실이 더욱 저감되었다.
[1-3] 2-상 인터리빙 방식 ACF 컨버터의 1차측을 직렬 연결하고 하나의 공동된 출력 인덕터 및 직렬 연결된 정류단을 적용하였다. 그 결과 모든 스위치의 전압 스트레스가 감소하여 600 V 스위치를 사용할 수 있었으며 각 ACF 컨버터의 1차측 전류 균형을 자동적으로 이뤄낼 수 있었다. 또한 두 ACF 컨버터가 하나의 공통된 능동 클램프 회로를 사용함으로써 회로의 복잡도를 줄일 수 있었다
$\Bf{ [2] 낮은 전압 스트레스의 정류단을 가지는 절연형 컨버터}$
절연형 DC/DC 컨버터의 정류단 다이오드의 전압 스트레스는 출력전압에 비례하여 결정된다. 특히나 PDP-TV의 유지전원단의 경우 200 V의 큰 출력 전압을 요구하며, 이 경우 높은 전압 스트레스에 의해 쇼키 다이오드의 사용이 제한되므로 역회복특성을 갖는 다이오드의 사용이 불가피하게 된다. 다이오드의 전압 스트레스가 증가할수록 $V_{F}$ 및 역회복특성 역시 나빠지므로 최대한 다이오드의 전압 스트레스를 낮게 갖도록 토폴로지 선정 및 설계에 주의를 기울여야 한다. 본 논문에서는 위상천이-풀브릿지 컨버터, LLC 공진 컨버터, 하프-브릿지 제타 컨버터, 및 플라이백 컨버터의 정류단 전압 스트레스를 줄이기 위하여 아래와 같은 연구를 수행하였다.
[2-1] 위상천이 풀브릿지 컨버터에서 지상 레그 천이 구간을 진상 레그 천이 구간과 유사한 동작을 가지도록 동작 시킴으로써 정류단의 큰 전압 진동을 줄일 수 있었다. 이는 변압기 2차측에 직렬 공진 캐패시터를 삽입하고 변압기자화 인덕터를 작게 설계함으로써 간단히 구현된다. 또한 제안된 동작은 변압기 기생 인덕턴스가 가지는 에너지와 상관없이 지상 레그의 ZVS를 넓은 영역에 걸쳐서 보장한다.
[2-2] 센터-텝 정류단을 채택한 LLC 공진 컨버터의 경우 변압기 2차측 기생 인덕턴스와 다이오드의 접합 캐패시터 간의 상호작용에 의해서 큰 전압 진동을 갖게 된다. 동작 영역 별로 전압 진동에 대한 해석을 시행하여 전압 진동에 영향을 주는 요소들은 수식적으로 도출해 내었으며, 실험을 통하여 전압 진동 요소를 작게 설계할수록 실제 정류단 전압 진동이 감소함을 확인하였다.
[2-3] 하프브릿지 제타 컨버터는 넓은 ZVS 영역 및 선형적인 입출력 관계식 등의 장점을 갖는 회로이다. 하지만 단방향성 정류단을 특성에 의해 큰 전압 스트레스 및 큰 출력 인덕터를 가지고 있다. 이와 같은 단점들을 보안하기 위하여 하프브릿지 제타 컨버터를 위한 양방향성 정류단을 제안하였으며, 이로 인하여 정류단 전압 스트레스 및 출력 인덕턴스가 반으로 감소하였다.
[2-4] 하나의 스위치와 다이오드만을 사용하는 플라이백 컨버터는 그 간단한 구조 때문에 소용량 어플리케이션에서 가장 널리 사용되고 있다. 하지만 다이오드의 큰 전압 스트레스 및 전압 진동에 의해서 부가적인 스너버의 사용이 불가피하다. 이를 보안하기 위하여 플라이백 컨버터의 정류단을 전압-채배기로 대체 함으로써 정류단 다이오드의 전압 스트레스를 스너버 사용 없이 출력전압으로 제안하였다. 뿐만 아니라 변압기 기생 인덕턴스와 2차측 캐패시터 간의 공진 동작을 이용하여 1차측 스위치의 턴-오프 손실 및 스너버 손실을 크게 감소시킬 수 있었다.
$\Bf{ [3] 분산된 전압 스트레스를 가지는 고승압 컨버터}$
한편, AC 라인을 입력으로 사용하지 않고 연료전지, 태양광과 같은 신-재생 에너지원 또는 보조 배터리를 사용하는 시스템의 경우, 낮은 입력 전압을 원하는 버스 전압 또는 출력 전압으로 전환하기 위하여 고승압 컨버터 사용이 필요하다. 이 경우 고전적인 부스트 컨버터의 사용이 일반적이지만, 입출력 승압비가 10배 이상으로 증가하게 될 경우 단일 부스트 컨버터 만으로는 충분한 승압비와 효율을 얻기 힘들어진다. 뿐만 아니라 출력전압이 큰 사양의 경우, 부스트 컨버터의 스위치와 다이오드의 전압 스트레스도 비례하여 증가하므로 하드-스위칭 손실 및 역회복특성에 의해서 회로의 성능과 효율이 크게 감소하게 된다. 이와 같은 고승압 사양에서 충분한 승압비와 분산된 전압 스트레스를 갖기 위하여 아래와 같은 직렬 연결된 출력 모듈을 가지는 3가지 토폴로지를 제안하였으며 실험으로 타당성을 검증하였다.
[3-1] 기존의 부스트 컨버터에 세픽 컨버터를의 출력을 직렬로 연결하여 충분한 승압비와 분산된 전압 스트레스를 가질 수 있었다. 더욱이 부스트 컨버터와 세픽 컨버터의 입력측 인덕터와 스위치를 공유함으로써 회로를 간단화 하였다.
[3-2] 기존에 고승압 사양에서 널리 사용되던 전류형 승압 컨버터는 시비율 제약과 스너버 손실이 문제점이었다. 이를 보안하기 위하여 전류형 승압 컨버터와 2상 부스트 컨버터의 2개의 부스트 인덕터와 2개의 스위치를 공유하여 결합하였다. 제안된 컨버터는 분산된 전압 스트레스, 넓은 시비율 범위를 가지며 스너버의 사용 없이 스위치의 전압 스트레스가 출력 모듈의 전압으로 제한되어 향상된 효율을 가진다.
[3-3] 고승압비와 분산된 전압 스트레스를 가지기 위해서 기존의 절연형 컨버터의 1차측 위에 2차측을 직렬 연결하였다. 이와 같은 직렬 구조를 위한 기본 절연형 컨버터로써 기존의 부스트 인덕터가 결합된 하프브릿지 컨버터를 채택하였다. 그 결과로써 제안된 컨버터는 높은 승압비, 분산된 전압 스트레스, 작은 입력 전류 맥동 및 ZVS 동작 특성을 가진다.
본 논문에서는 절연형 DC/DC 컨버터의 스위치 및 다이오드의 전압 스트레스를 낮추기 위한 다양한 토폴로지, 구동 방법 및 설계에 대하여 연구하였으며, 또한 고승압 사양을 위한 분산된 전압 스트레스 및 고승압비를 갖는 토폴로지들을 제안하였다. 본 논문에서 제안된 다양한 회로들의 동작 및 개념들은 여타 전력 변환 회로들에 대하여서도 광범위하게 응용 가능하며 추후 산업적으로도 널리 사용되어지길 기대한다.
