Nowadays, climate change becomes serious problem in all around country. Especially, because of global warming problem, every country is suffered from various natural disasters. To prevent these changes, every industry keeps requiring the increase in energy conversion efficiency. And this world wide issue directly affects the power supply market, which is mainly energy-consumption part of many devices. Hence, the market for power supply continuously demands high efficiency and high power density of power supply.
Generally, distributed power system (DPS) is widely used in many power supply applications for its high performance, efficiency, and reliability. The DPS is composed of three parts: power factor correction (PFC), front-end DC/DC converter and point of load (POL) converter. The PFC stage receives the AC line input voltage and converts it into 200~400V DC output voltage and it improve the power factor of system. The front-end DC/DC stages provide electrical isolation of the system and it produces stable DC bus voltage or required output voltage of system. The POL converter tightly regulates the output voltage according to the load system. Among these parts, the front-end DC/DC converter is treated as critical part for the high efficiency and high power density of DPS, since it occupies more than 70% of total power consumption and more than 50% of total space in DPS.
For the front-end DC/DC stages, many topologies have been researched in recent century. Among them, conventional phase-shift full-bridge (PSFB) converter is most popular and very attractive topology for the medium-high power application, since it has some desirable features such as low current/voltage stress and ZVS operation of all primary switches by utilizing the transformer leakage inductance and intrinsic capacitances of switches without any additional circuit. However, the conventional PSFB converter has main two drawbacks. First of all, ZVS operation of conventional PSFB converter is dependent on the load condition and it cannot be well achieved at light load condition due to insufficient energy of leakage inductance. Secondly, large circulating current exists on primary side during freewheeling period due to small duty operation, when it is applied to the wide input/output applications. Therefore, these drawbacks make conventional PSFB converter have low efficiency and low power density.
In this dissertation, the research is mainly focused on the topology development, the operational method, and the design of PSFB converter in front-end DC/DC stage of DPS for wide ZVS operation and reduced circulating current. The research is divided into three parts as follows.
Part 1. Separated primary winding transformer with controlled leakage inductance for a phase-shift full-bridge converter
Generally, additional resonant inductor is added to a conventional phase-shift full-bridge (PSFB) converter for extending the range of zero-voltage switching (ZVS) operation. However, core and copper loss caused by additional resonant inductor can be high enough to decrease the efficiency of DC/DC converter. Furthermore, the size of additional resonant inductor can decrease the power density of DC/DC converter. Therefore, separated primary winding (SPW) transformer with controllable leakage inductance for PSFB converter is proposed. The proposed transformer makes both transformer and additional resonant inductor with same ferrite core by separating primary winding of transformer into two parts and controlling turns-ratio of the separated primary winding. Using this method, large leakage inductance can be easily implemented by winding ratio of SPW. Moreover, by using this integrated magnetic component with single core, size and core loss can be greatly reduced and result in improvements of efficiency and power density of DC/DC converter. The operational principle and analysis of the proposed transformer are presented and verified by 1.2kW PSFB converter.
Part 2. Wide range ZVS phase-shift full-bridge converter with reduced conduction loss caused by circulating current
Conventional phase-shift full-bridge (PSFB) converter with two clamp diodes and additional resonant inductor is widely used for front-end DC/DC stage in distributed power system (DPS). However, hold-up-time requirement limits its operating duty ratio at normal operation. It results in conduction loss caused by circulating current. Therefore, wide range ZVS PSFB converter with reduced conduction loss caused by circulating current is proposed. The proposed converter adopts the large resonant inductance and replaces clamp diodes in conventional PSFB converter with MOSFET switches. With these modifications, the proposed converter can achieve the ZVS operation over wide load range as well as can reduce the conduction loss caused by the circulating current. These advantages result in the improvement of whole load efficiency. The operational principle and analysis of proposed converter are presented and verified by the 1.2kW prototype.
Part 3. Hybrid dual full-bridge DC/DC converter with reduced circulating current, output filter and conduction loss of rectifier stage for RF power generator application.
A hybrid dual full-bridge DC-DC converter for radio-frequency (RF) power generator application is proposed to overcome the drawbacks of conventional phase-shift full-bridge (PSFB) converter such as large circulating current of primary side and large output filter size. The proposed converter adopts dual full-bridge hybrid structure with a small series capacitor in the primary side and full-bridge rectifier with two additional low-voltage-rated diodes in the secondary side. With this structure, the proposed converter has advantages of reduction of circulating current, zero-voltage switching (ZVS) operation of all switches, size reduction of output inductor, and low conduction loss of rectifier stage. Furthermore, the proposed converter can regulate the output voltage very wide by changing the operational mode according to the output voltage. These advantages result in the improvement of whole load efficiency. The operational principle and analysis of proposed converter are presented and analyzed. A 3kW 40-200V output laboratory prototype is designed and built to verify the feasibility and effectiveness of the proposed converter.
최근 기후의 변화는 전 세계적으로 큰 문제를 야기하고 있다. 특히, 화석 연료 사용에 따라 발생하게 되는 CO2에 의한 온실 효과로 인하여 여러 나라들이 다양한 자연 재해의 피해를 입고 있는 것이 보고 되고 있다. 이에 따라 이러한 변화를 막고 피해를 감소시키기 위하여 에너지 소비량이 다른 분야에 비하여 크게 발생하고 있는 산업 분야 에서는 에너지의 효율을 높이기 위한 전반적인 노력을 기울이고 있는 실정이다. 이에 따라 산업 현장에서 대부분의 에너지 소비를 야기하고 있는 전원 장치에 대한 관심이 급증하게 되었으며 전원 장치의 변환 효율에 대한 요구 사항이 점진적으로 증가하고 있는 추세이다.
대다수의 전력 변환 회로는 신뢰성의 증가 및 모듈화의 용이성 등의 이점을 가지는 분산 전력 시스템이 널리 이용되고 있다. 분산 전력 시스템은 다음과 같이 구성된다. (1) AC 라인 전압을 입력으로 받아 약 200~400V의 출력 전압을 변환 해주며 또한 시스템의 역률을 개선하기 위한 역률 개선 커버터, (2) 전력 변환 회로의 전기적인 절연을 제공하며 시스템이 요구하는 전압에 따라 안정적인 버스 전압을 변환해주는 절연 형 DC/DC 컨버터, (3) 변환된 DC 버스 전압을 부하의 요구 상황에 따라 변환 해주는 부하 컨버터. 이중에서 절연형 DC/DC 컨버터는 전원 장치 전력 소모의 약 70% 이상을 차지하며 또한 전체 크기의 절반 이상을 차지하는 부분이기 때문에 이의 성능에 따라 전체 시스템의 성능이 크게 영향을 받게 된다. 따라서 전력 변환 회로의 고효율화 및 고 전력 밀도화를 위해서는 DC/DC 컨버터 부분에 대한 많은 연구가 필요하다.
일반적으로 대용량의 DC/DC 컨버터를 위한 토폴로지로서 위상 천이 풀브릿지 컨버터가 널리 이용되고 있다. 이러한 위상 천이 풀브릿지 컨버터는 인버터단의 전류 및 전압스트레스가 다른 토폴로지에 비하여 낮은 특성을 갖고 있으며 또한 위상 천이 제어 기법을 통하여 넓은 입력 또는 출력 전압 변화에 대해서도 출력을 안정적으로 제어할 수 있다. 뿐만 아니라 추가적인 회로 없이도 트랜스포의 누설 인덕턴스를 이용하여 인버터단의 반도체 소자의 영전압 스위칭 동작이 가능하기 때문에 특히 높은 입력 전압을 갖게 되는 절연형 DC/DC 전력 변환 장치에 장점을 갖는 토폴로지이다. 하지만 기존의 위상 천이 풀브릿지 컨버터는 넓은 입력 또는 출력 변화를 가지는 전력 변환 장치에 적용 될 경우 환류 전류에 의한 도통 손실이 크게 발생 하게 된다. 또한 영전압 스위칭 범위가 부하 전류에 따라 한정적으로 동작하게 되기 때문에 낮은 부하영역의 경우 영전압 스위칭 동작이 원활하게 이루어지지 않는 단점을 갖게 되며 이러한 단점들이 위상 천이 풀브릿지 컨버터의 효율 및 전력 밀도를 감소시키는 주원인으로 작용 하게 된다.
따라서 본 논문에서는 대용량 전력 변환 장치의 고효율 및 고 전력 밀도화를 위하여 넓은 영전압 스위칭 범위를 가지면서도 작은 도통 손실을 갖도록 개선된 위상 천이 풀브릿지 컨버터 토폴로지 개발, 제어 및 설계를 초점으로 하여 연구를 진행 하였다..
Part 1. 위상 천이 풀 브릿지 컨버터를 위한 누설 인덕턴스가 조절 가능한 분리된 1차측 권선 구조를 가진 트랜스포머
일반적으로 기존의 위상 천이 풀브릿지 컨버터에는 영전압 스위칭 범위를 확장하기 위하여 추가적인 공진 인덕터를 인버터단에 삽입하여 사용 하게 된다. 하지만 삽입된 공진 인덕터에서 발생 할 수 있는 코어 손실 및 도통 손실로 인하여 전력 변환 효율이 감소하게 된다는 단점을 갖게 된다. 또한 추가되는 공진 인덕터는 크기가 상대적으로 큰 코어를 사용하여야 하므로 전력 밀도 역시 크게 감소하게 되는 원인이 된다. 따라서 분리된 1차측 권선 구조를 통하여 큰 누설 인덕턴스가 조절 가능한 새로운 형태의 트랜스포머를 제안한다. 제안된 트랜스포머는 1차측 권선을 분리하여 코어에 감는 방식을 통하여 기존의 트랜스포머에 사용되고 있는 동일한 한개의 코어에 트랜스포머 및 추가적인 공진 인덕터를 통합한 형태로 구현이 가능하다는 장점을 갖고 있다. 또한 분리된 1차측 권선의 권선비를 통하여 원하는 누설 인덕턴스를 간단하게 조절할 수 있다는 장점을 갖고 있어 기존에 추가적인 공진 인덕터에서 발생하던 코어 손실을 감소 하면서도 넓은 영전압 스위칭 범위를 가지게 되며 사이즈 저감에도 도움을 주게 된다. 따라서 제안된 트랜스포머를 위상 천이 풀브릿지 컨버터에 적용할 경우 DC/DC 컨버터의 효율 및 전력 및도 상승을 야기 하게 된다. 제안하는 트랜스포머는 1.2kW의 서버파워 서플라이를 통하여 앞서 언급된 특성 및 장점을 검증하였다.
Part 2. 환류전류에 의한 도통 손실이 작으며 넓은 영전압 스위칭 범위를 가지는 위상천이 풀 브릿지 컨버터
서버파워 서플라이와 같은 전원 장치에서는 AC 입력 라인의 공급이 중단된 뒤에도 전력 변환회로가 부하에 전력을 공급해야 하는 시간인 홀드업 규제를 갖게 된다. 이에 따라 기존의 위상 천이 풀 브릿지 컨버터는 정상상태에서 작은 시비율로 동작하게 되며 이에 따라 큰 환류 전류가 발생하게 되어 인버터 및 정류단의 도통 손실을 야기 하기 때문에 효율을 감소하게 되는 원인이 된다. 이에 따라 환류 전류에 의한 도통 손실이 작으면서도 넓은 영전압 스위칭 범위를 가지는 위상 천이 풀브릿지 컨버터를 제안한다. 제안된 컨버터는 기존의 위상 천이 풀브릿지 컨버터에 두개의 다이오드와 공진 인덕터가 추가된 컨버터와 유사한 형태를 가진다. 기존의 컨버터와의 차이점은 제안된 컨버터는 공진인덕터가 매우 크게 설계되어 있으며 두개의 다이오드가 스위칭 소자로 변경되었다. 기존의 컨버터에서는 일반적으로 넓은 영전압 스위칭 범위를 위하여 공진 인덕터를 크게 설계 할 경우 홀 드업 타임 규제로 인하여 출력 전압 제어를 위한 변압기의 설계가 불리 해지며 이에 따라 손실이 증가한다는 단점이 있다. 하지만 제안된 컨버터의 경우 평상 동작시에는 큰 공진 인덕터로 인하여 넓은 영전압 스위칭을 하면서도 환류전류에 의한 도통 손실이 감소되는 장점을 가지게 되며 홀드업 타임 동작시에는 변경된 스위치가 동작을 하게 되어 추가되는 공진 인덕터가 분리되며 이에 따라 홀드업타임 동작 때에도 동일한 변압기를 이용하여 출력 전압을 제어 할 수 있다는 장점을 가지게 된다. 따라서 DC/DC 컨버터의 평상 동작시 효율이 기존 위상 천이 풀브릿지 컨버터에 비하여 증가하게 된다. 이를 검증하기 위하여 제안된 회로가 적용된 1.2kW의 서버 파워 서플라이를 제작하고 기존 컨버터와의 비교를 통하여 그 성능을 확인하였다.
Part 3. RF 전원 장치를 위한 감소된 환류 전류, 출력 인덕터 및 정류단의 도통 손실을 가지는 하이브리드 듀얼 풀브릿지 컨버터
넓은 출력 전압 변화 범위를 가지는 RF 전원 장치에 기존 위상 천이 풀 브릿지를 적용 할 경우 인버터단의 매우 큰 환류 전류, 출력 필터 사이즈 증가 및 정류단의 도통 손실 증가라는 단점을 갖게 된다. 이에 따라 두개의 풀브릿지가 하이브리드 형태로 결합된 듀얼 풀 브릿지 컨버터가 제안되었다. 제안된 컨버터는 인버터단에 하나의 부스트 캐패시터를 적용하여 인버터단의 환류 전류를 제거 되었으며 또한 정류단에 낮은 전압 스트레스를 가지는 다이오드를 추가하여 정류단의 도통 손실이 감소된 특징을 갖게 된다. 또한 하이브리드 제어를 적용하여 환류 전류가 제거되었음에도 불구하고 모든 스위치의 영전압 스위칭이 가능하며 또한 개선된 정류단의 파형을 통하여 출력 필터의 사이즈 역시 저감되는 특징을 갖는다. 또한 제안된 회로는 제어 신호의 동작 모드 변화를 통하여 출력 전압을 매우 넓은 범위로 제어할 수 있는 장점을 가지게 된다. 이에 따라 RF 파워서플라의 전력변환 효율이 크게 증가된다. 이를 검증하기 위하여 제안된 회로가 적용된 3kW의 시제품을 제작하고 기존 컨버터의 비교를 통하여 그 성능을 확인하였다.
본 논문에서는 대용량 분산 전력 시스템에서의 dc/dc 컨버터에 적용되는 위상 천이 풀브릿지의 단점을 보완하기 위한 새로운 토폴로지, 구동 방법 및 설계 대하여 연구하였다. 본 논문에서 제안된 회로들의 동작 및 개념들이 추후 산업적으로 널리 사용되어지길 기대한다.
