To realize the high efficiency DC/DC converter in distributed power architecture, both soft switching technique and low conduction loss are suggested. However, in general, the soft switching technique, such as zero voltage switching, causes large conduction loss, or, conversely, the low conduction loss induce the non-capability of soft switching. Thus, this dissertation suggests that the conduction loss is reduced effectively with the soft switching capability.
First, new PWM-controlled quasi-resonant converter for a high efficiency PDP sustaining power module is proposed. The load regulation of the proposed converter can be achieved by controlling the ripple of the resonant voltage across the primary resonant capacitor with a bi-directional auxiliary circuit, while the main switches are operating at a fixed duty ratio and fixed switching frequency. Hence, the waveforms of the currents can be expected to be optimized from the view-point of conduction loss. Furthermore, the proposed converter has good ZVS capability, simple control circuits, no high voltage ringing problem of rectifier diodes, no DC offset of the magnetizing current and low voltage stresses of power switches. Thus, the proposed converter shows higher efficiency than that of a half bridge LLC resonant converter under light load condition. Although it shows the lower efficiency at heavy load, because of the increased power loss in auxiliary circuit, it still shows the high efficiency around 94%.
Secondly, new phase shifted full bridge (PSFB) converter with voltage doubler type rectifier for high efficiency PDP sustaining power module is proposed. This converter employs a voltage doubler rectifier without an output inductor. Since it has no output inductor, the voltage stresses of the rectifier diodes can be clamped at the output voltage level. Thus, because no dissipative resistor-capacitor snubber for rectifier diodes is needed, high efficiency, as well as, a low noise output voltage can be realized. Due to the elimination of the large output inductor, it features a simpler structure, lower cost, smaller mass and lighter weight. Furthermore, the proposed converter has wide zero voltage switching ranges of lagging leg switches with low current stresses of the primary power switches by using the magnetizing current. In addition, the resonance between the leakage inductor of the transformer and the rectifier capacitors can reduce the current stresses of the rectifier diodes and conduction losses.
Thirdly, new output inductor less phase shift full bridge converter with current reduction technique for server power application is proposed. The proposed converter can reduce the current stress by using the auxiliary circuit. Since the auxiliary circuit causes the additional resonance between the leakage inductor and auxiliary capacitor before the powering period, the proposed converter has lower current stress even no output filter inductor. Small size and low circulating energy can be also the merits of the proposed converter.
Fourthly, new zero-voltage-switching (ZVS) phase-shift full-bridge converter with reduced circulating energy for server power supply is proposed. The proposed converter can be implemented simply by adding a small resonant capacitor beside the leakage inductor of transformer. Since the voltage across the small resonant capacitor is applied to the small leakage inductor of transformer during freewheeling period, the primary current can be decreased rapidly. This results in the reduced conduction loss on the secondary side of transformer as long as the proposed converter guarantees the ZVS of lagging leg switches.
전력을 변환하는 2단의 전력 변환 시스템에서 DC/DC 컨버터의 고효율은 근래의 전력 용량의 증가와 전력 밀도의 감소로 인해서 점점 더 중요하게 여겨지고 있다. 일반적으로 2단의 전력 변환 시스템에서의 DC/DC 컨버터의 입력 전압은 AC/DC 컨버터, 즉 PFC단의 출력 전압을 사용하게 되므로 부스터 컨버터와 같은 경우에 출력전압은 400V정도의 큰 전압을 가지게 된다. 이를 입력 전압으로 사용하는 절연형 DC/DC 컨버터의 효율을 증가 시키기 위해서는 변압기 1차 측에 있는 스위치의 스위칭 시 발생하는 손실을 줄여야 한다. 일반적으로 MOSFET의 경우 턴 온 시의 스위칭 손실이 턴 오프시의 손실보다 큰 값을 가지게 되므로 영 전압 스위칭 기법에 대해 많은 연구와 새로운 방법에 대해서 제안되어 왔다. 하지만 대부분의 방법들이 영 전압 스위칭을 이루기 위해 순환 에너지의 증가로 인해 도통 손실이 더 발생하는 문제점을 가지고 있다. 이는 영 전압 스위칭을 이루기 위해서 여분의 에너지가 필요로 하게 되고 그로 인해 도통 손실이 증가하게 되기 때문이다.
따라서 본 논문에서는 영 전압 스위칭을 보장함과 동시에 효과적으로 도통 손실을 줄이는 방법에 대해 PDP의 유지 전원 장치와 서버용 전원 장치의 특성에 맞는 새로운 4가지의 회로에 대해 제안하도록 한다.
첫째, PDP의 유지 전원 장치를 위해 LLC 공진형 하프 브릿지 컨버터를 기반으로 하여 펄스폭 변조 방식의 준 정현파를 갖는 새로운 하프 브릿지 컨버터를 제안 하였다. 제안된 회로는 보조회로를 통해서 공진 소자의 임피던스를 변화시킴으로써 출력 전압을 제어한다. 따라서 하프 브릿지의 메인 스위치는 영 전압 스위칭이 가능함과 동시에 도통 손실에 최적화 할 수 있게 설계할 수 있다. 보조회로에서의 전력 손실을 줄이기 위해서 변압기 2차 측의 정류단을 전압 배가 형태를 사용함으로써 또 하나의 공진형태의 전압을 이용해 보조회로의 손실을 줄일 수 있었다.
둘째, PDP의 유지 전원 장치를 위해 위상 천이 풀 브릿지 컨버터를 기반으로 하는 전압 배가기를 채용한 새로운 위상 천이 풀 브릿지 컨버터를 제안 하였다. 제안된 회로는 변압기 2차 측 정류단에 사용된 소자들의 전압 스트레스를 고려해 출력 인덕터를 제거하고 전압 배가기를 사용하여 정류단 다이오드의 전압 스트레스를 출력 전압으로 제한하였다. 전압 배가 정류단을 사용함으로써 증가한 전류의 첨두값을 줄이기 위해서 변압기의 누설 인덕터와 전압 배가기의 캐패시터간의 공진을 이용하여 도통 손실을 개선 할 수 있었다. 기존의 컨버터에서 주요한 문제점인 지상 레그 스위치의 좁은 영 전압 스위칭 범위를 변압기의 자화 전류를 이용하여 넓은 부하 영역에서 가능하게 하였다.
셋째, 서버용 전원 장치를 위한 출력 인덕터가 없는 전류 스트레스 저감 기법을 적용한 새로운 위상 천이 풀 브릿지 컨버터를 제안하였다. 제안된 컨버터는 대 전류가 흐르는 변압기 2차 측의 구조를 단순화하고 전류가 흐르는 도통 경로에 소자 수를 최소화함과 동시에 전력 손실을 줄이기 위해서 출력 인덕터를 제거 하였다. 이로 인한 변압기 1차, 2차 측의 전류 스트레스의 증가는 보조회로를 통해서 변압기의 누설 인덕터와 보조회로의 추가 캐패시터 간의 공진을 이용하여 순간적으로 전류를 증가시킴으로써 방지 할 수 있었다. 지상 레그 스위치의 영전압 조건 또한 변압기의 자화 전류를 이용하여 보장 할 수 있었다.
넷째, 서버용 전원 장치를 위한 작은 순환 에너지를 갖는 새로운 위상 천이 풀 브릿지 컨버터를 제안하였다. 제안된 컨버터는 기존의 위상 천이 풀 브릿지 컨버터에서 지상 레그 스위치의 영 전압 범위를 변압기 2차 측 소자들의 전압 스트레스 부담 없이 확장하기 위해 추가적인 인덕터와 클램프 다이오드를 사용한 회로에서 변압기 1차 측에 직렬로 공진형 캐패시터를 추가함으로써 간단하게 구현 가능하였다. 추가된 공진형 캐패시터는 순환 기간 동안 변압기를 통해 2차 측으로 전달되는 전류를 감소 시킴으로써, 대 전류가 흐르는 변압기 2차 측에서의 도통 손실을 효과적으로 감소시킬 수 있었다. 지상 레그 스위치의 영 전압 스위칭 범위를 확장시키기 위해 추가된 인덕터의 전류는 클램프 다이오드를 통해서 보장해 줌으로써 순환 에너지로 인한 손실을 감소시킴과 동시에 스위치의 영 전압 스위칭도 보장해 줄 수 있었다.
제안된 각 컨버터는 앞 서 언급된 적용 분야에서 효과적으로 영 전압 스위칭을 보장함과 동시에 도통 손실을 줄 일 수 있었다. 또한 영 전압 스위칭의 이점과 작은 도통 손실의 이점을 하나만 취하는 것이 아니라 두 가지를 동시에 이룰 수 있는 방법들이므로 다른 분야에서도 응용 가능할 것으로 기대 된다.
