Symmetric half bridge converter has been widely used in PC power supply application since it has no DC offset of magnetizing current and it has symmetric device stress. However, symmetric half bridge is not suitable for PC power supply application which should satisfy hold-up time requirement. When operating at below 0.5 duty ratio, symmetric half bridge cannot achieve zero-voltage switching (ZVS). It results in low efficiency. To solve this problem, a variety of ZVS half bridge converters have been proposed including an asymmetric half bridge converter. Though they can reduce switching loss, ZVS half bridge converters have serious voltage oscillation problem across the secondary rectifier, which would require the snubber circuit. This oscillation is increasingly severe when large resonant inductance is used for wide ZVS range. The proposed converter solves this problem by separating resonant inductance from resonance with the junction capacitance of the rectifier after a commutation. It reduces energy dissipation on snubber and decreases conduction loss on rectifier. In addition, it has wide ZVS range resulting in improving efficiency. Operational principle and analysis of the proposed converter are presented and confirmed by experimental results of a 240W prototype.
대기 중의 이산화 탄소 농도의 증가는 지구 온난화를 심화시킨다. 미국의 한 조사기관은 이산화 탄소 발생 중 2%가 IT 산업의 책임이며 그 중 40%가 PC 및 모니터와 관련 된 것이라 한 바 있다. 실제, PC 를 효율적으로 사용 할 때, PC 2500 대당 연간 103.6 톤의 이산화 탄소 발생을 줄일 수 있다는 조사결과는 PC power supply 에서 에너지 효율 상승의 필요성을 보여준다. PC power supply 는 PC 내부에서 AC 전압을 DC 전압으로 바꾸어 하드 디스크, 디스크 드라이버, 메인보드 및 여러 보조장치에 전원을 공급하는 역할을 하는 부분으로 front-End Rectifier 단, 메인 DC/DC 단, control circuit 단, protection & supervisor circuit 단 및 stand-by단으로 구성 된다. 이 중, PC power supply 의 메인 DC/DC 단은 낮은 출력전압과 높은 출력 전류 특성을 가지며, hold-up time 조건을 만족시켜야 한다. 이를 만족시키면서 고효율을 얻기 위해서, 소프트 스위칭 기술과 정류단에서의 SR 스위치를 사용하는 컨버터가 늘어나고 있다.
PC power supply 의 메인 DC/DC 단에서 자주 사용되는 컨버터 중 하나가 symmetric half-bridge converter 이다. Symmetric half-bridge converter 는 대칭적인 스위칭으로 인해 소자의 전류 및 전압 스트레스 또한 대칭적이란 장점과 함께, magnetizing current 에 DC offset 이 없다는 장점을 갖는다. 하지만 0.5 미만의 듀티에서 넓은 deadtime 으로 인한 하드 스위칭 때문에 높은 효율을 얻기가 힘들다. Asymmetric half-bridge converter 는 스위칭 방식을 비대칭으로 바꾸어 symmetric half bridge converter 에서 구조의 변화 없이 영전압 스위칭을 하기 때문에 스위칭 손실을 크게 줄일 수 있다. 하지만, 비 선형적인 입출력 특성, 소자의 비대칭적인 전압 및 전류 스트레스, magnetizing current 의 DC offset 으로 인해 효율 향상면에서 여전히 한계점을 가지고 있다. symmetric half-bridge 에서의 하드 스위칭 문제와 asymmetric half-bridge 에서의 비대칭 문제를 해결하기 위해 추가적인 스위치와 다이오드를 사용한 modified-duty-cycle-shifted (MDCS) half-bridge converter 가 제안되었다. MDCS converter는 파워링을 담당하는 스위치의 대칭적인 구동으로 인해 비대칭적인 문제를 해결하고, 스위치간 수백나노의 데드타임을 두어 소프트 스위칭을 만족시킨다. 하지만 추가 스위치의 ZVS 를 위해서는 추가 다이오드에 병렬로 추가 스위치 output capacitance 보다 큰 capacitor 가 요구된다. 또한, 영전압 스위칭을 위한 추가 공진인덕턴스 사용은 effective duty ratio 의 감소와 commutation 후 2 차측 SR 스위치 junction cap 과의 공진으로 voltage ringing 을 일으켜 효율의
저감을 초래한다.
본 논 문은 MDCS converter 의 장점을 그대로 가져감과 동시에 추가 공진인덕턴스로 인해 발생되는 문제를 해결하는 방안을 제안하였다. 제안된 컨버터는 메인스위치 세개를 직렬로 연결한 구조로 파워링을 담당하는 스위치의 대칭적인 구동으로 인해 비대칭 문제들을 해결한다. 또한, 스위치의 직렬 구조는 공진인덕턴스와 공진하는 등가 capacitance 를 줄여, ZVS 조건을 좋게 하고, MDCS converter 에 추가 적으로 다이오드를 한 개 더 사용하여 SR 스위치 junction capacitor 과의 공진에서 추가 공진 인덕턴스를 제외시켜, voltage ringing 이 거의 없게 된다. SR 스위치 양단에서의 voltage ringing 이 기존의 컨버터에 비해 많이 줄어 들기 때문에 제안된 컨버터는 정류단에서 conduction loss 와 snubber loss 를 줄일 수 있는 찬스를 갖게 된다.
실제 제안된 컨버터의 성능을 증명하기 위해 PC power supply 스펙의 240W 급 prototype 을 제작하여 실험하였다. 그 결과, 제안된 컨버터는 symmetric half bridge converter 에서의 하드 스위칭 문제와 asymmetric half bridge converter 에서 스위치의 비대칭 구동으로 생기는 여러 문제를 극복할 수 있었기 때문에 symmetric half bridge converter 와 asymmetric half bridge converter 에 비해서 높은 효율을 가져감을 확은 할 수 있었다. 같은 동작을 하는 MDCS converter 와 비교하였을 때, 동일하게 50%의 로드까지 ZVS 할 수 있게 설계하였을 경우, 제안된 컨버터가 보다 작은 공진인덕턴스를 사용할 수 있었고, 그에 따라 commutation 구간이 줄어들어 effective duty ratio 를 보다 크게 가져갈 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 제안된 컨버터에서의 경우, 정류단에서 voltage ringing 이 크게 감소하기 때문에 MDCS converter 에 비해 보다 좋은 SR 스위치를 사용할 수 있었다. SR 스위치에서의 conduction loss 의 감소와 snubber loss 의 감소로 인해 제안된 컨버터가 MDCS converter 에 비해 전 로드에서 높은 효율을 가졌다.
