The huge usage of fossil fuels such as oil and gas, results in serious greenhouse effect and environmental pollution. These are the major obstacles for human being development. For finding a clean and emission-free energy source, many research trends have been addressed. The photovoltaic (PV) energy, fuel cell (FC) energy, and electric energy become the significant players in the new energy market at the present day.
Meanwhile, most renewable energy sources are converted to the electric energy by the aid of generating cells. Also, the generated energy are either stored in the battery or directly transferred to the local load or AC grid. Due to the limitation in the series connected stack size and safety issues in the generating cells and battery cells, the low DC level of the stack voltage is normally used. To obtain a desired level of DC voltage utilized as an input voltage of an inverter stage, the high step-up DC/DC converter should be employed between the DC source and the intermediate DC bus without having to increase the stack size. Other applications such as high-intensity discharge lamp in automotive power system and uninterruptible power supply (UPS) also find the necessity of the high step-up DC/DC converter. Nearly ten-fold step-up gain, low input current ripple, low device stress, and high device utilization are the common requirements for these applications. Also the galvanic isolation is not required.
To cope with these requirements, various high step-up circuits using the voltage conversion ability of a cascade structure, a voltage multiplier, coupled-inductor, and a transformer have been proposed. From the review of the several conventional solutions, the cascade structure and the circuits using the voltage multipliers have too much devices. The coupled-inductor and transformer schemes can reduce the number of devices in a whole system. However, the input current ripple of the coupled-inductor is higher than a transformer because the transformer scheme has an additional input inductor. Also, the transformer scheme can easily obtain the high step-up gain by increasing turns ratio with the reasonable number of devices. The soft-switching performance can be realized in all approaches by modifying and using the active clamp network which can also suppress the switch voltage stress.
Thus, the transformer scheme with the active clamp concept is desirable for the efficiency, cost, input current ripple, and EMI noise, and so on. However, not only the clamp capacitor in the active clamp network cannot provide the step-up ratio extension, but also an external resonant inductor for ensuring the soft-switching in a wide range should be employed. Also, the active clamp circuit has the load-dependent soft-switching condition, which is an inherent characteristic. It causes a hard switching at a light load and degrades the conversion efficiency. To extend the soft-switching range even at light-load condition, external resonant inductance should be increased. Unfortunately, the increased resonant inductor causes the efficiency degradation at heavy-load condition due to the increased circulating and peak currents.
As a desirable solution, this dissertation proposed synchronous-switch boost integration technique (SS BIT). It uses the common part integration between the conventional current-fed transformer-type converter and a synchronous boost converter as a parallel-input and series-output configuration. Thus, it has the high device utilization. Due to the stacked output capacitors in SS BIT, a step-up ratio is further increased. The rectifier at a secondary side can be any kinds of rectifiers. To increase the step-ratio further and clamp the rectifier voltage stress, the voltage doubler rectifier at the secondary side is recommended. The SS BIT makes all switches achieve the ZVS as well as their voltage stress be clamped to the partial output voltage which depends on a transformer turns-ratio. Moreover, the distributed power and current in SS BIT alleviates thermal stresses. All converters employing the proposed SS BIT can use 0% to 100% duty ratio.
By adopting the SS BIT, three representative converters are proposed in this dissertation, i.e., synchronous boost-integrated current-fed half-bridge converter, synchronous boost-integrated flyback converter with a voltage doubler rectifier, and synchronous boost-integrated sepic converter. All proposed converters are analyzed in detail and verified by the experiments, respectively.
Since the proposed converters have a load-dependent soft-switching capability, the efficiency degradation at a light load is inevitable. To improve light-load efficiency without increasing external resonant inductor, light-load frequency modulation (LLFM) control is also proposed. The effectiveness of LLFM is verified by digitally controlled synchronous boost-integrated flyback converter. This LLFM control can be applicable to other active-clamp circuits. Therefore, by means of proposed SS BIT and LLFM control, high efficiency in a wide load range is achieved. In order to provide the controller design guideline, small-signal modeling of proposed SS BIT is also investigated by using the state-space averaging method.
As a result, the proposed converters using SS BIT and LLFM control are optimized for the non-isolated high step-up applications. It is expected that proposed works can provide to improve the overall efficiency and power density in non-isolated high step-up applications.
화석 연료 사용에 의한 지구 온난화 및 환경문제로 인해 청정 에너지 개발에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 특히, 태양광 발전, 연료전지, 그 밖의 전기를 생성하는 에너지원 등이 새로운 시장을 형성하고 있다. 이러한 시스템의 대부분은 다양한 에너지 원으로부터 생성된 에너지가 전기에너지로 변환되어 전하 셀 기반의 배터리에 저장되거나 혹은 직접 부하나 계통에 연결된다. 하지만 전하 생성 셀 혹은 배터리 셀은 직렬 연결된 스택 수에 의해 전압이 결정되는데 사이즈와 가격 등의 이유로 낮은 DC 전압이 이용된다. 부하나 계통 연계를 위한 인버터의 입력전압은 보통 수백 볼트 이상이 필요하므로 양단 간 고승압 DC/DC 전력변환회로가 주로 사용되며 높은 효율이 요구된다. 그 밖에도 기존 배터리 시스템 중에서도 차량용 헤드라이트에 사용되는 HID(high-intensity discharge) 램프와 무정전 전원장치 등도 고승압 DC/DC 전력회로가 필요하다. 언급한 고승압 응용분야는 열배에 가까운 승압, 낮은 전압 스트레스, 높은 전력밀도 등을 요구하며 별도의 절연을 필요로 하지 않는 특징을 가진다.
고승압을 얻기 위해서 cascade 구조, 전압 배가기, 변압기 등의 승압 능력을 가진 회로를 사용하고 있으며 전력밀도 및 소자 수 측면에서 절연이 필요하지 않은 응용분야에서도 current-fed 방식의 변압기를 사용하는 회로가 가장 큰 장점을 가진다. 하지만 변압기의 누설 인덕턴스에 의한 스위치와 다이오드의 전압 및 전류 스트레스 증가와 hard 스위칭에 의한 손실은 큰 문제점으로 작용한다. 이를 해결하기 위해 능동 클램프 방식의 회로들이 많이 제안되어 왔으나 부가적인 클램프 회로는 승압 능력에 관계없는 요소로 작용한다.
본 논문에서는 기존의 current-fed방식의 변압기를 사용하고 전압 및 전류 스트레스를 저감하며 soft스위칭이 가능함과 동시에 클램프 회로가 승압 능력에 도움을 줄 수 있는 동기 스위치 부스트 결합 기법 (synchronous-switch boost integration technique)을 제안하였다. 제안하는 기법은 기존의 current-fed 방식의 변압기를 사용하는 회로에 동기 스위치 부스트 컨버터를 입력 측에서는 병렬로 출력 측에서는 직렬로 연결한 구조를 가진다. 그러므로 두 컨버터간 전력이 변압기의 턴 비에 의해 분담되고 승압비가 더욱 증가하게 되며 모든 스위치의 전압이 클램핑되며 soft스위칭이 가능하다. 또한 결합한 두 컨버터의 공통 소자를 공유함으로써 device utilization을 증가시킬 수 있으며 결합된 동기 스위치 부스트 컨버터에 의해 전 듀티 영역 운전이 가능하다.
제안된 SS BIT를 current-fed 변압기 방식의 회로에 적용하여, 동기 스위치 부스트 결합형 current-fed half-bridge 컨버터, 동기 스위치 부스트 결합형 flyback 컨버터, 그리고 동기 스위치 부스트 결합형 sepic 컨버터, 총 3개의 컨버터를 제안하였다. 제안한 컨버터들은 모두 SS BIT특징을 공통적으로 가지고 있으며 입력 전류 리플의 크기에 따라 각각 대용량, 소용량, 중소용량에 적합하며 모두 높은 효율과 높은 승압 능력을 가짐을 실험으로 증명하였으며 이론적 분석과 일치함으로 확인하였다.
또한 SS BIT를 사용한 컨버터에 상태 공간 평균화 기법을 사용하여 소신호 모델을 유도한 결과, 공통적으로 4개의 극점과 3개의 우반면 영점을 가지는 control-to-output전달함수의 형태를 가짐을 확인하였고 dominant-pole 근사방법으로 간단화 할 수 있다. 간단화된 전달함수는 2개의 극점과 1개의 우반면 영점을 가지고 있으며 이를 이용하여 전압 모드 제어기 설계 예를 제시하였다.
마지막으로 제안하는 SS BIT는 여느 능동 클램프 회로와 마찬가지로, 부하에 의존하는 ZVS 특성을 가지고 있어 경부하 영역에서 hard 스위칭에 의한 손실이 크다는 문제점을 가진다. 이를 개선하기 위해 경부하 주파수 변조 제어를 제안하였다. ZVS를 위한 공진 인덕터의 크기를 증가시키지 않고 주파수 변조를 통해 변압기의 자화 인덕턴스에 저장된 에너지로 ZVS가 가능하게 되어 전 부하 영역에서 soft-switching이 가능하게 되었다. 손실분석 및 디지털 제어기반의 실험을 통해 이를 검증하였으며 전 부하 영역에서 높은 효율을 달성하였다.
본 논문에서 제안된 SS BIT 구조는 비절연형 고승압 DC/DC 전력변환 응용분야에 최적화된 구조를 가지고 있으며, 단순한 구조에 고효율 특성을 가짐으로써 비절연형 고승압을 요구하는 여러 전기 전자 시스템에 적용되어 효율 개선을 할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 제안된 LLFM제어는 제안된 SS BIT는 물론 기존 능동 클램프 회로에 모두 적용 가능하므로 DC/DC 전력변환회로의 경부하 효율 개선에 이바지 할 것으로 기대한다.
