In this paper, a new series input parallel output (SIPO) interleaved flyback converter is proposed. Since voltage stresses on all semiconductor devices in primary side are clamped to input voltage, proposed converter has low conduction and switching losses. Secondly, the proposed converter has regenerative leakage inductance energy, which results in high efficiency. Furthermore, because of its simple structure, the proposed converter has maximized power density, even higher than any SIPO interleaved flyback converters with RCD snubber or any other lossless snubbers. The feasibility of the proposed converter was verified by experimental results with a prototype of 240W, 330-400V input, and 24V output. The proposed converter shows high efficiency, more than 90% in the entire load condition.
플라이백 컨버터는 간단한 구조를 지니고 있으며, 넓은 입력전압 범위에서 비교적 고른 효율을 보이기 때문에 수십 년간 많은 산업분야에서 널리 사용되어왔다. 입출력 캐패시터를 제외하고, 메인 트랜스포머, 메인 스위치, 2차측의 정류 다이오드의 3개의 소자만 사용한다는 것은 높은 전력 밀도를 야기하고, PWM 제어 방식으로 인한 넓은 입력전압 범위에 대해 원하는 출력 전압을 낼 수 있다는 것은 플라이백 컨버터의 큰 장점이다.
그러나, 플라이백 컨버터는 몇 가지 한계점을 동시에 보이고 있다. 첫째로, 비교적 낮은 효율이다. 첫째로, 플라이백 컨버터는 메인 스위치에 큰 전압 스트레스를 갖는다. 기본적으로, 입력 전압에 2차측에서 투영된 출력 전압의 합인 큰 전압이 메인 스위치의 스트레스로 가해지기 때문에, 큰 전압 레이팅을 갖는 메인 스위치를 사용해야 하며, 이는 큰 턴-온 저항으로 인한 큰 도통 손실을 야기한다. 두 번째로, 트랜스포머의 누설 인덕터와 메인 스위치의 출력 캐패시터의 공진으로 인한 피크 성 전압 스트레스를 억제하기 위하여 RCD 스너버가 많이 사용되는데, 이는 누설 인덕터에 저장된 에너지를 저항으로 태우는 방식으로 많은 손실을 야기한다. 일반적으로, RCD 스너버에서 발생하는 손실은 전체 플라이백 컨버터의 손실의 많은 부분을 차지한다. 세 번째로, 플라이백 컨버터의 출력 캐패시터는 메인 스위치의 턴-온 구간에서 출력 전류를 혼자 부담하여 제공하기 때문에 RMS 전류가 부담이 되며, 이는 큰 사이즈의 출력 캐패시터를 야기한다. 마지막으로, 플라이백 컨버터의 메인 트랜스포머에는 오프셋 전류가 존재하기 때문에, 플라이백 컨버터는 작은 용량의 어플리케이션에 제한되어 사용되어 왔다.
이러한 플라이백 컨버터의 단점을 보완하기 위한 방법으로는 직렬 입력 병렬 출력 구조의 인터리빙 플라이백 컨버터를 사용하는 것과, 무손실 스너버를 사용하는 방법 등이 연구되어왔다. 직렬 입력 병렬 출력 구조의 인터리빙 플라이백 컨버터는 입력단의 직렬 입력 구조로 인하여 각 플라이백 컨버터가 입력 전압의 절반을 나누어 갖기 때문에, 반도체 소자에 가해지는 전압 스트레스를 줄일 수 있다는 장점을 지닌다. 또한, 병렬 출력 인터리빙 구조로 인하여, 출력 캐패시터의 RMS 전류를 크게 저감시킬 수 있어 작은 크기의 출력 캐패시터를 사용할 수 있다는 장점도 지닌다. 그러나, 이러한 구조에서도 누설 인덕터와 스위치의 출력 캐패시터의 공진으로 인한 피크성 전압 스트레스는 여전히 존재하며, 이는 스너버 로스로 직결된다. 누설 인덕터에 저장된 에너지를 손실 없이 입력으로 회수하기 위해서 연구된 것은 무손실 스너버이다. 직렬 입력 병렬 출력 인터리빙 플라이백 컨버터에 무손실 스너버를 적용하면 스너버 손실 없이 누설 인덕터에 저장된 에너지를 입력으로 회수할 수 있으나, 추가되는 인덕터와 다이오드로 인한 낮은 전력 밀도를 초래한다.
따라서 본 연구에서는 직렬 입력 병렬 출력 인터리빙 플라이백 컨버터에서 추가적인 소자 없이 누설 인덕터에 저장된 에너지를 입력으로 회수할 수 있는 컨버터를 제안한다. 직렬 입력 병렬 출력 구조에서 각각의 플라이백 컨버터 모듈이 입력전압을 절반으로 나누어 갖는다는 사실과, 메인 스위치의 전압 스트레스는 입력전압과 스너버 전압의 합에 클램프 된다는 사실을 인지하면, 전체 입력전압을 스너버 전압처럼 사용할 수 있다는 사실을 알 수 있다. 이로써, 간단한 소자의 재배치와 함께 입력전압으로 클램프 되는 구조의 제안하는 컨버터의 유도하는 과정을 소개하였다.
제안하는 컨버터는 누설 인덕터에 저장된 에너지를 입력으로 회수할 수 있을 뿐만 아니라, RCD 스너버를 갖는 직렬 입력 병렬 출력 인터리빙 플라이백 컨버터 보다도 높은 전력 밀도를 지닌다는 것을 알 수 있다. 제안하는 컨버터의 정상 상태에서의 동작 분석 및 소자의 전압-전류 스트레스가 분석되었으며, 제안하는 컨버터의 타당성을 실험을 통하여 검증하였다. 제안하는 컨버터는 비슷한 구조를 지닌 2개의 스위치를 사용하는 플라이백 컨버터나 포워드 컨버터, RCD 클램프 회로를 지니는 직렬 입력 병렬 출력 인터리빙 플라이백 컨버터보다 높은 효율을 보인다는 것을 실험을 통하여 검증하였다.
