Humankind has achieved great advances in industry with the use of fossil fuel, but as a result they are endangered to environmental crises such as climate change nowadays. In addition, in using electric power extracted from the fossil fuel with difficulty, they are abandoning uselessly a substantial amount of the energy during power conversion and cooling process. With these backgrounds, to cope with environmental crises and use the electric energy more effectively, power supplies that cause a vast consumption of energy over entire industries have been focused in many research areas and as a result, the demand of achieving high efficiency of power supply over whole load conditions, which power supply can experience, is being issued every year by many international regulations.
There are various power supplies near us. The intended use of these power supplies is different, but they are commonly developed based on distributed power architecture (DPA) for its high efficiency and flexible design. In the DPA, the AC-DC converter converts the AC line input voltage coming from the utility grid into about 400V DC output voltage while compensating the power factor at its input stage for low harmonic contents on the AC utility grid. With the 400V DC output voltage, the front-end converter produces stable DC bus voltages of various levels that are needed by the final load system. And, for the reliable and compact design of power supply, the front-end converter should provide electrical isolation of the system and have both high power density and high efficiency because it occupies generally more than 70% of total power consumption and more than 50% of total space in power supply.
For the front-end converter, many topologies can be considered. Among them, conventional phase-shift full-bridge (PSFB) converter is most popular and very attractive topology for medium-to-high power applications, since the voltage stress of all primary switches is always clamped to the source voltage, its current stress is low compared to other topologies, and without any additional devices, zero-voltage switching (ZVS) operation of all primary switches is easily achieved by utilizing parasitic elements existing in the converter. However, the conventional PSFB converter has two main drawbacks. First of all, ZVS operation of lagging-leg switches in the conventional PSFB converter is not achieved due to insufficient energy of leakage inductance as the output load decreases. Secondly, large circulating current, which incurs large conduction loss, always exists on primary side in the case that its source voltage or output voltage/current are widely changeable. Therefore, the conventional PSFB converter has the limitation of not achieving high efficiency over whole load conditions, especially at the light load conditions.
In this dissertation, in order to improve the performance of the conventional PSFB converter, the research is focused on the topology development featuring both wide ZVS range and reduced conduction loss as front-end converter for medium-to-high power applications. The research is divided into two parts as follows.
Part 1. Dual half-bridge (HB) converter for high output voltage applications
In this part, a new phase-shifted PWM converter with wide ZVS range and reduced conduction loss is proposed for high output voltage applications such as large-sized PDP TVs of over 63 inch. The proposed converter is composed of dual half-bridge (HB) inverters that are placed in parallel on the primary side and are connected in series on the secondary side via two transformers. A full-bridge rectifier featuring low voltage stress is employed for rectification on the secondary side. All primary switches in the proposed converter can be turned on with ZVS operation over whole load conditions. This is achieved by using only the magnetizing current of transformer in one of dual HB inverters. However the conduction loss caused by the magnetizing current is much smaller compared to the conventional phase-shift full-bridge (PSFB) converter using the magnetizing current of transformer for wide ZVS range. In addition, the proposed converter has no problems related to the increase of duty-cycle loss. This allows the turns-ratio of two transformers to be designed to be much smaller than that of the conventional PSFB converter using a large resonant inductor. As a result, both the voltage stress of rectifier diodes and the primary current stress are significantly reduced, and the conduction loss of the proposed converter is also much smaller than that of the conventional PSFB converter with a resonant inductor. Therefore, high efficiency over whole load conditions can be obtained in the proposed converter than the conventional PSFB converters. The circuit configurations, operation principle, relevant analysis results, and a design example of the proposed converter are presented and verified by the 1kW prototype realized with the specification of 80-inch PDP sustain power module (320-385 Vdc input, 205 Vdc/5 A output).
Part 2. Half-bridge integrated full-bridge converter for high and variable output voltage applications
In this part, a new zero-voltage-switching (ZVS) full-bridge (FB) converter with reduced conduction loss for battery on-board chargers in PHEVs or EVs is proposed. The proposed converter consists of a FB converter integrated with a symmetric half-bride (HB) converter in parallel. Due to this hybrid architecture, the proposed converter can get a reduction in primary-conduction loss, which comes from the reduction of circulating current and the much smaller turns-ratio of FB transformer compared to the conventional phase-shift full-bridge (PSFB) converter. The proposed converter also has a lower secondary-voltage stress than the conventional PSFB converter, which can result in a reduction of secondary-conduction loss. Besides, in the proposed converter, a full ZVS capability without adding any heavy extra inductors and a significantly reduced output filter size due to the improved output waveform are obtained. Thus the converter’s weight or size can be greatly reduced, which is necessarily required in EV battery charger applications. The circuit configuration, operation principle, and relevant analysis results of the proposed converter are described and verified by the scale-downed 2-kW battery charger prototype for EVs or PHEVs.
인류는 화석 연료의 이용으로 큰 발전을 이루어 왔지만, 그 결과 최근 기후 변화와 같은 환경적 위기를 맞고 있다. 게다가 화석 연료로부터 어렵게 얻은 전기 에너지를 사용하는데 있어서도 전력 변환 과정과 쿨링 과정에서 막대한 에너지를 사용하지 못하고 헛되이 버리고 있다. 이러한 배경으로 환경적 위기 상황에 대처하고 전기 에너지를 보다 효율적으로 사용하고자 하는 의지에서 산업 현장에서 대부분의 에너지 소비를 야기시키고 있는 전원 장치에 대한 관심이 급증하고 있고, 그 결과로 CSCI 규정과 같은 많은 국제적 효력을 갖는 규정들에 의해 전원 장치의 전 부하 구간에서 고효율 달성에 관한 요구가 해마다 매우 중요한 이슈가 되고 있다.
우리 주변에는 다양한 전원 장치들을 볼 수 있다. 그러한 전원 장치들의 그 사용 목적은 모두 다르지만, 통상 고효율과 설계 유연성 때문에 전원 장치들은 분산 전력 구조를 바탕으로 개발된다. 분산 전력 구조에서, AC/DC 컨버터는 그 입력 단에서 AC 유틸리티 시스템의 하모닉 규제를 만족하기 위해 역류를 보정하는 동시에 교류 전원으로부터 약 400V의 높은 DC 전압을 생성한다. DC/DC 컨버터는 이 400V의 전압을 가지고 최종 부하 시스템이 필요로 하는 다양한 레벨의 안정적인 DC 버스 전압들을 만든다. 전원 장치의 신뢰성 확보와 소형 설계를 위해, DC/DC 컨버터는 시스템에 전기적 절연을 제공해야 하고 높은 전력 밀도와 높은 효율을 가지도록 설계되어야 한다. 특히, DC/DC 컨버터는 전원 장치에서 전체 소비 전력의 70% 이상, 전체 공간의 50% 이상을 차지하고 있기 때문에, 전체 시스템의 고효율, 고전력밀도 달성을 위해서는 설계적으로 매우 중요한 부분이다.
분산 전력 구조에서 DC/DC 컨버터로 사용될 수 있는 토폴로지들은 매우 다양하게 존재한다. 그 중에서도 위상 천이 풀 브리지 컨버터는 반도체 스위치의 전압 스트레스와 전류 스트레스가 다른 토폴로지들에 비해 작고, 그 출력 제어 방식과 회로 구조가 간단 한다는 장점을 갖는다. 또한 어떤 추가적인 소자 없이도 변압기에 존재하는 누설 인덕턴스와 반도체 스위치에 존재하는 기생 캐패시턴스만으로도 영전압 스위칭 동작을 얻을 수 있어 높은 효율의 장점도 갖는다. 그 결과 위상 천이 풀 브리지 컨버터는 700W 이상의 고 전력 응용 분야에서 매우 인기가 있고 많이 사용되어 왔다. 하지만 기존의 위상 천이 풀 브리지 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 된다. 이 두 요인으로 인해 기존의 위상 천이 풀 브리지 컨버터는 전 부하 구간에서 높은 효율을 달성하지 못하는 한계를 갖는다. 기존의 위상 천이 풀 브리지 컨버터의 그 한계를 극복하기 위해 영전압 스위칭 범위를 개선하고자 하는 연구가 많이 진행되어 왔다. 그러나 그 개선 방식들 모두 도통 손실 증가를 동시에 수반하기 때문에 그 역시 전 부하 구간에서 높은 효율을 달성하지 못 한다.
따라서 본 논문에서는 기존의 위상 천이 풀 브리지 컨버터의 그 성능을 개선하기 위해 넓은 영전압 스위칭 범위를 가지면서도 작은 도통 손실을 갖는 듀얼 브리지 컨버터에 관한 연구를 진행 하였다.
Part 1. 높은 출력 전압 응용을 위한 듀얼 하프 브리지 컨버터
63인치 이상의 대화면 PDP TV와 같은 높은 출력 전압 응용에 적합한 넓은 영전압 스위칭 범위와 작은 도통 손실을 갖는 새로운 위상 천이 컨버터를 제안한다. 제안하는 컨버터는 일차 측에 병렬로 연결되어 있고, 이차 측에서는 두 변압기를 통해 직렬로 연결되는 두 개의 하프 브리지 인버터로 구성된다. 이차측 정류단에는 낮은 전압 스트레스를 특징으로 하는 풀 브리지 정류기가 장착된다. 사용되는 두 변압기는 전력 전달 구간에서 동일한 전력을 동시에 전달 하기 때문에 동일한 코어와 턴 비로 설계가 되지만 자화 인덕턴스의 그 크기가 비대칭으로 설계가 된다. 즉, 레깅 래그 하프 브리지 인버터에 있는 변압기의 자화 인덕턴스를 작게 설계하고, 그 자화 전류를 이용해 레깅 레그 스위치들의 영전압 스위칭 범위를 확장한다. 하지만, 기존 방식들과 다르게 그 자화 전류가 삼각파 형태여서 레깅 래그 하프 브리지 인버터에서는 전류 스트레스가 크게 증가하지 않는다. 리딩 래그 하프 브리지 인버터의 변압기의 자화 인덕턴스는 크게 설계 되기 때문에 리딩 래그 변압기와 스위치들에서는 전류 스트레스가 전혀 증가하지 않는다. 이처럼 그 두 변압기의 자화 인덕턴스를 비대칭으로 설계함으로써 제안하는 컨버터는 넓은 영전압 스위칭 범위를 가지면서도 기존 컨버터들과 비교해 작은 도통 손실을 가질 수 있게 된다. 따라서 제안하는 컨버터는 기존 위상 천이 풀 브리지 컨버터에 비하여 보다 최적화된 중부하 효율을 얻을 수 있게 되고, 경부하 효율도 크게 증가하게 된다. 이를 검증하기 위하여 제안된 회로가 적용된 80인치 PDP TV 서스테인 파워 모듈의 시제품을 제작하고 기존 컨버터와 비교를 통하여 그 성능을 확인하였다.
Part 2. 높고 변동되는 출력 전압 응용을 위한 하프 브리지가 합쳐진 풀 브리지 컨버터
전기 자동차 배터리 충전기를 위한 작은 도통 손실을 갖는 새로운 영전압 스위칭 풀 브리지 컨버터를 제안한다. 제안하는 컨버터는 기존 위상 천이 풀 브리지 컨버터에 레깅 래그 스위치들과 이차측 정류 다이오드들의 한 쪽 래그를 공유한 하프 브리지 컨버터가 병렬로 합쳐진 하이브리드 컨버터이다. 그 하이브리드 구조 때문에 풀 브리지 변압기 턴 비가 기존 위상 천이 풀 브리지 컨버터에 비해 작게 되고, 리딩 래그 스위치들의 전류 스트레스가 기존 컨버터보다 훨씬 작은 특징을 갖는다. 레깅 래그 스위치들의 영전압 스위칭 범위는 하프 브리지 변압기의 자화 전류를 이용해 쉽게 확장될 수 있고, 또한 그 자화 전류가 기존 방식과 다르게 삼각파 형태여서 레깅 래그 스위치들의 전류 스트레스는 크게 증가하지 않는다. 또한, 풀 브리지 컨버터에 있는 공진 캐패시터의 그 전압 리플을 이용해 기존 위상 천이 풀 브리지 컨버터에 있던 환류 전류를 쉽게 제거할 수 있게 되고, 스위치들의 전류 스트레스들은 더욱 작아 지게 된다. 정류단에서는 낮은 전압 스트레스를 가지는 다이오드를 사용할 수 있게 되어 정류단의 도통 손실이 감소되는 장점도 갖는다. 이처럼 제안하는 컨버터는 넓은 영전압 스위칭 범위를 가지면서도 기존 컨버터와 비교해 작은 도통 손실을 가질 수 있게 된다. 따라서 제안하는 컨버터는 기존 위상 천이 풀 브리지 컨버터에 비하여 출력 전압이 높고 변동되는 응용에서 훨씬 높은 효율을 얻을 수 있게 된다. 또한 개선된 정류단의 파형을 통하여 출력 필터의 사이즈 역시 저감되는 특징을 갖는다. 이를 검증하기 위하여 제안된 회로가 적용된 2kW 전기 자동차 배터리 충전기의 시제품을 제작하고 기존 컨버터와 비교를 통하여 그 성능을 확인하였다.
