To minimize the size and weight of the converters, a high switching frequency is generally required. However, the hard switching of power switch causes high switching loss and high electromagnetic interference (EMI) noise. Therefore, various types of the soft switching DC/DC converters have been proposed. Among them, the half-bridge type converters are very attractive because of the reasonable number of components and clamped voltage stresses on the primary switches to the input voltage level in the middle power application with high input voltage.
The conventional asymmetrical half-bridge (AHB) converter is one of the attractive half-bridge type circuits because of its zero-voltage switching (ZVS) capability. However, in case of the specification with wide input voltage, the AHB converter has low duty ratio at the nominal condition due to nonlinear DC conversion ratio, which causes asymmetrical current and voltage stresses and degraded ZVS capability of Q1. Also, nonlinear characteristic of the DC conversion ratio requires large duty ratio variation to regulate the output voltage. In addition, the AHB converter has the duty loss which results in the extra conduction loss during the commutation operation between Ds1 and Ds2.
In order to solve aforementioned drawbacks of the AHB converter, the conventional single-ended half-bridge zeta (SHBZ) converter has been widely discussed. The SHBZ converter has a link capacitor Cs originated from the zeta converter. The employed Cs makes the DC conversion ratio of the SHBZ converter linear, which increases the range of the available duty ratio compared with the AHB converter. Therefore, in case of the specification with wide input voltage, the output voltage can be regulated with relatively higher duty ratio at the nominal condition, and linear characteristic of the DC conversion ratio requires smaller duty ratio variation compared with the AHB converter. Also, the negative peak current caused by the employed Cs makes the ZVS capability of Q1 to be improved. However, it features a single-ended type converter where the power delivery of the rectifier is unidirectional. That is, the power is transferred from the primary to the output only in the conducting state of switch Q1. Due to this limitation, the output filter inductor size of the SHBZ converter can be in-creased compared with that of the AHB converter.
To solve the aforementioned drawbacks of the SHBZ converter caused by the single-ended rectifier, this paper proposes the center-tapped half-bridge zeta converter. As shown in Fig. 3-1, the structure of the proposed converter is similar to that of the SHBZ converter except for the center-tapped transformer. By adopting the center-tapped rectifier (CTR) to provide the bidirectional powering path in the rectifier, the output filter inductor size of the proposed converter can be reduced while maintaining the advantages of the SHBZ converter such as linear DC conversion ratio and wider ZVS range. Also, in the proposed converter, either Vs-VB or -VB is always applied to Lm due to the employed Cs. That is, the energy from the primary side is always transferred to the secondary side. Therefore, the proposed converter has no duty loss, and the extra conduction loss by the free-wheeling current can be reduced compared with the AHB converter.
하프-브릿지 구조의 컨버터들은 적은 수의 소자들을 가지며, 1차측 스위치들의 전압 스트레스를 입력전압으로 클램핑 시킬 수 있다는 장점 때문에 입력전압이 높은 중용량급 파워 제품에 적합하다.
하프-브릿지 구조를 갖는 컨버터들 중에서 기존의 asymmetrical half-bridge (AHB) 컨버터는 하프-브릿지 구조로 인해 생기는 장점과 영전압 스위칭이 가능하므로 중용량급 파워 제품에 많이 사용된다. 하지만 AHB 컨버터는 입력 전압 범위가 넓은 경우 nominal 입력에서 낮은 시비율을 갖기 때문에 비대칭적인 전류 및 전압 스트레스를 초래하며 1차측 스위치 Q1의 영전압 스위칭 능력을 저감시킨다. 또한, 2차측 정류다이오드들 간의 정류 작용 시 1차측으로부터 2차측으로 전력 전달이 없는 시비율 손실을 발생시킨다.
이러한 기존의 AHB 컨버터의 단점들을 보완하기 위하여 single-ended half-bridge zeta (SHBZ) 컨버터를 사용가능하다. 기존의 SHBZ 컨버터는 AHB 컨버터와 다르게 센터-탭 형태의 트랜스포머 대신 single-ended 형태의 트랜스포머를 가지며, 제타 컨버터로부터 유래된 링크 커패시터를 갖고 있는 구조이다. SHBZ 컨버터 역시 1차측에 하프-브릿지 구조를 가지므로 하프-브릿지 구조로 인해 발생되는 장점을 유지하게 된다. 또한 링크 커패시터의 영향으로 AHB 컨버터에 비해 선형화 된 입출력 관계식을 갖게 되며, 이로 인해 입력 전압 범위가 넓은 경우에도 nominal 입력에서 높은 시비율로 출력 전압을 레귤레이션 할 수 있다. 또한, 링크 커패시터로 인해 발생하는 큰 영전압 스위칭 전류에 의해 Q1의 영전압 스위칭이 이루어 지므로 Q1의 영전압 스위칭 능력이 향상된다. 하지만 기존의 SHBZ 컨버터는 single-ended 형태의 트랜스포머를 가지기 때문에 한 번의 스위칭 구간 동안 1차측으로부터 2차측으로 한번의 전력전달이 가능하므로 출력 인덕터 크기를 증가시키게 된다.
앞에서 언급된 중용량급 파워 제품에 많이 사용되는 기존의 AHB 컨버터와 SHBZ 컨버터가 가진 단점들을 보완하기 위해 새로운 회로를 제안하였다. 제안된 회로의 구조는 single-ended 형태의 트랜스포머 대신 센터-탭 형태의 트랜스포머를 가지는 것을 제외하곤 기존의 SHBZ 컨버터의 구조와 비슷하다. 제안된 회로 역시 1차 측에 하프-브릿지 구조를 가지므로 하프-브릿지 구조로 인해 생기는 장점을 유지하게 되며, 기존의 SHBZ 컨버터와 같이 링크 커패시터를 가진 형태이므로 링크 커패시터로 인해 생기는 장점을 또한 갖게 된다. 또한, 제안 된 회로는 링크 커패시터의 영향으로 자화 인덕터에 Vs-VB 또는 -VB의 전압이 항상 인가되기 때문에 기존의 AHB 컨버터에서 발생하는 시비율 손실을 막을 수 있다. 그리고, 제안된 회로는 센터-탭 형태의 트랜스포머를 가지므로 기존의 SHBZ 컨버터와 달리 1번의 스위칭 구간 동안 2번의 전력 전달이 가능하므로 출력 인덕터 크기를 줄일 수 있다. 따라서 제안된 회로는 높은 전력밀도를 가지며 기존의 SHBZ 컨버터와 같이 넓은 영전압 스위칭 범위를 갖게 된다. 하지만, 제안된 회로는 링크 커패시터의 영향으로 출력전류가 큰 경우 1차측과 2차측에 큰 RMS 전류를 초래하게 되므로 출력전류가 작은 제품에 적합하다.
제안되는 컨버터가 가지는 특징들을 기존의 회로들과 비교하여 분석하였으며, 컨버터의 타당성을 실험을 통해 검증하였다. 제안된 컨버터의 경우 중부하 이상에서는 링크 커패시터에 의해 발생하는 1차측과 2차측의 큰 RMS 전류에 의한 도통 손실이 많은 부분을 차지하게 되므로 기존의 AHB 컨버터에 비해서 약간 낮은 효율을 나타내지만, 중부하 이하에서는 도통 손실보다 스위칭 손실과 스너버에 의한 손실이 많은 부분을 차지하게 되므로 제안된 컨버터는 기존의 AHB 컨버터에 비해 많은 효율 상승을 가져오게 된다. 또한, 기존의 SHBZ 컨버터와 제안된 회로의 효율 차이는 출력 인덕터 크기의 감소로 인해 발생하게 된다.
