The number of handheld device is increasing continuously in recent IT market. Therefore, the number of AC-DC adapter which can charge the handheld device is increasing too. Also, as carbon oxide (CO2) increases, the earth temperature increases. IT industry is one of the major factor generating CO2. To reduce generation of CO2, high efficiency is required for power supply such as server power supply, notebook adapter and desktop power supply. Furthermore, high power density is required for power supply as small size is preferred. So many IT companies want high efficiency power supply for energy saving and eco-friendly image. However, conventional flyback AC-DC converter has wide input voltage range, high switching loss, high snubber loss and high core loss. So, conventional AC-DC converter has low efficiency characteristic. Therefore, the conventional AC-DC converter structure hard to expect high rising in efficiency. In order to develop small size and high efficiency AC-DC converter, propose two-stage AC-DC converter structure. Two-stage AC-DC converter structure is added PFC stage. therefore, cost and size may be increased. But, DC-DC converter stage is easy to design because input voltage fixed link capacitor voltage. So size and efficiency of DC-DC converter stage are improved. Moreover, size of input-filter decrease due to PFC stage effect. Because of this, two-stage AC-DC converter structure is possible to put in conventional size. Therefore, topologies research for small size and high efficiency two-stage AC-DC converter is essential. In case of PFC stage, boost converter is selected. Because, boost PFC has high PF, low THD and high efficiency characteristics. So boost PFC is widely used in IT industry. Control method of boost PFC divide three; CCM(Continuous-Conduction-Mode), BCM(Boundary-Conduction-Mode), DCM(Discontinuous-Conduction-Mode). Because this research is focus on high efficiency AC-DC converter. BCM control method is selected considering switching and conduction loss. In case of DC-DC stage, topologies which have one or two switches are considered, for small size AC-DC converter. First, flyback converter is considered. The flyback converter has merits of simple structure and low price. But, flyback converter has low efficiency characteristic. Because of hard switching and snubber loss. Second, active clamp forward converter is considered. The active clamp forward has merits of soft switching and low RMS current in secondary side. But, active clamp forward converter has more complicated structure and higher cost than flyback converter. Third, LLC resonant converter is considered. The LLC converter has merits of soft switching and high efficiency characteristic. But LLC converter has more complicated structure and higher cost than flyback converter too. Flyback, active clamp forward and LLC converter are designed for 60W level adapter specification. And the loss of three converters is compared. Eventually, the LLC converter has the lowest loss. So LLC converter is selected as first experiment candidate. And active clamp forward converter is selected as second experiment candidate. For verification of loss analysis tendency and comparison. Boost PFC, flyback, active clamp forward and LLC converter are designed for 60W level adapter specification. Consequentially, ‘boost PFC + active clamp forward DC-DC converter’ is measured 87.68% efficiency at 90Vac input voltage. And ‘boost PFC + LLC DC-DC converter’ is measured 90.94% efficiency at 90Vac input voltage. 90.94% is 1.93% higher than efficiency of conventional single-stage flyback AC-DC converter. Eventually, ‘boost PFC + LLC DC-DC two-stage AC-DC converter has the highest efficiency characteristic. Also ‘boost PFC + LLC DC-DC two-stage AC-DC converter’ possible to put in case of conventional single-stage AC-DC converter. Therefore, ‘boost PFC + LLC DC-DC converter’ is selected for the most suitable topologies combination.
최근 IT 시장은 소형 휴대 전자기기들의 사용량이 지속적으로 증가하고 있다. 따라서 소형 휴대 전자기기들을 충전할 수 있는 AC-DC adapter들의 사용량 역시 증가하고 있는 추세이다. 또한 지구의 이산화탄소 량의 증가로 인한 지구온난화 현상이 심화되면서 지구환경에 대한 관심이 점차 높아져 기존 power supply들의 고효율화 및 고전력밀도화의 필요성이 커지고 있다. 한편 많은 IT회사들이 에너지 절약과 친환경적인 회사 이미지 구축을 위해 더 높은 효율의 AC-DC converter를 원하고 있다.
하지만 기존 AC-DC converter의 경우 비교적 낮은 효율 특성을 나타내고 있으며, 기존 AC-DC converter의 single-stage flyback구조의 경우 DC-DC converter단이 넓은 입력전압을 커버 해야 하는 단점과 높은switching 손실, snubber 손실, core 손실 등의 이유로 더 이상 큰 효율 상승을 기대하기 어려운 상태이다.
기존의 single-stage flyback AC/DC converter의 case 에 실장이 가능하면서 더 높은 효율특성을 갖는 AC-DC converter를 개발하기 위해서 two-stage AC-DC converter구조를 제안하였다. Two-stage AC-DC converter 구조의 경우 DC-DC converter단의 앞 단에 PFC단이 추가되는 형태이다. PFC단이 추가되면서 비용과 크기가 증가할 수 있겠지만, 입력전압이 link cap 전압으로 고정되어 DC/DC converter단의 설계가 용이해져 크기가 감소하고 효율이 증가할 수 있고, PFC단의 효과로 인해 입력필터의 크기가 감소하고 효율이 증가할 수 있어 충분히 기존 single-stage AC-DC converter의 case에 실장이 가능하다고 판단하였다.
따라서 본 연구의 목표인 기존 single-stage AC-DC converter case에 실장이 가능하면서 더 높은 효율 특성을 갖는 two-stage 구조의 AC-DC converter를 개발하기 위해서 two-stage 구조에 적합한 topology들에 대한 검토가 필수적이다.
PFC단의 경우 높은 PF, 낮은 THD특성 그리고 높은 효율 특성 때문에 널리 쓰이고 있는 boost converter를 선정하였다. Boost PFC의 경우 제어방법에 따라 CCM(Continuos-Conduction-Mode), BCM(Boundary-Conduction-Mode), DCM(Discontinuos-Conduction-Mode)으로 동작모드가 나뉜다. 본 연구의 기본 목표인 높은 효율특성을 고려하여 switching 손실과 conduction 손실을 최소화 할 수 있는 BCM을 선정하였다.
DC-DC converter단의 경우 제한된 크기의 case에 실장 하기 위해 스위치의 개수가 1개 또는 2개인 topology들에 대한 검토가 이루어 졌다. 첫 번째로 스위치 개수가 1개이면서 절연 형 converter인 flyback에 대한 검토가 이루어 졌다. 단순한 구조와 비용이 적다는 장점이 있지만 hard switching과 snubber로 인한 손실 때문에 낮은 효율특성이 단점으로 존재한다. 두 번째로 스위치의 개수가 2개이면서 절연 형 converter인 active clamp forward에 대한 검토가 이루어 졌다. Soft switching이 가능하고 2차 측 RMS 전류 치가 낮다는 장점이 있지만 flyback 에 비해 구조가 복잡하고 비용이 높은 단점이 존재한다. 세 번째로 스위치의 개수가 2개이면서 절연 형, 공진 형 converter인 LLC 에 대한 검토가 이루어 졌다. Soft switching이 가능하고 높은 효율 특성을 갖은 장점이 있지만 역시 flyback에 비해 구조가 복잡하고 비용이 높은 단점이 존재한다.
Adapter specification으로 후보 topology군들에 대해 설계 하여 손실을 비교 하였을 때 LLC converter가 제일 낮은 손실을 보여 첫 번 째 실험 대상 군으로 선정 하였으며, 손실 분석의 경향성 검증 및 비교를 위하여 두 번 째로 낮은 손실을 보인 active clamp forward를 두 번 째 실험 대상 군으로 선정 하였다.
Boost PFC, active clamp forward DC-DC converter, LLC DC-DC converter를 65W급 adapter specification으로 설계 및 효율 최적화 작업을 진행하였다. 결론적으로 입력전압90Vac 기준 two-stage 전체 효율이 ‘boost PFC + active clamp forward DC-DC converter’가 87.68%, ‘boost PFC + LLC DC-DC converter’가 90.94%의 효율특성을 나타내었다. 이는 기존의 single-stage flyback AC-DC converter의 효율인 89.01% 보다 1.93% 상승한 효율특성이다. 또한 평균효율의 경우 ‘boost PFC + LLC DC-DC converter’가 91.71%로 기존 single-stage flyback AC-DC converter의 평균효율 90.21%보다 1.5% 상승한 효율특성을 나타내었다.
손실 분석 예상과 같이 ‘boost PFC + LLC DC-DC converter’ 조합의 two-stage AC/DC converter가 가장 높은 효율특성을 나타냈다. 또한 기존 single-stage flyback converter case에 실장 가능해야 한다는 목표도 만족시켜 본 연구의 최종 목표에 부합하는 가장 적합한 two-stage AC-DC converter 구조의 topology조합으로 결론 내렸다.
