There have been a great deal of researches on the resonant power conversion due to the increasing demand for the high power density converters. Among them, a new class of resonant converter called a quantum series resonant converter (QSRC) has been recently introduced. This kind of converter can provide many advantages such as the zero current switching condition and linear characteristics like the conventional PWM converter. However, the quantized output voltage level and the relatively large ripple magnitude of the output voltage due to the integral cycle mode control are the major obstacles for the practical use.
In this thesis, new output voltage control techniques taking the resonant capacitor voltage instead of the resonant current as a state are proposed to overcome the inherent disadvantages of a QSRC.
Firstly, to do this work, the dynamic modeling of the full bridge series resonant converter (SRC) including the winding ratio of an isolation transformer is derived taking the rectified peak resonant capacitor voltage (RPRCV) as a state variable instead of the rectified peak resonant inductor current (RPRIC).
Using this model, two kinds of the output voltage control techniques are suggested. One is an output voltage controller employing the deadbeat control action to overcome the disadvantages of the output voltage control employing the bang-bang control using only the output voltage information. With this technique, it is expected that the ripple magnitude is remarkably reduced and the start-up transient response becomes as fast as the bang-bang control technique using only the output voltage, because the fast state is directly controlled and the deadbeat action is employed.
As a more improved output voltage control technique, a sliding mode control in the discrete time domain is suggested to control the resonant capacitor voltage in the inner feedback-loop. With this technique, the first-order reduced model representing the average motion between the RPRCV command and the output voltage is obtained. Using this reduced model, various types of outer-loop controller controlling the output voltage such as the proportional (P), the proportional-integral (P-I) and the integral-proportional (I-P) controller are investigated through the computer simulation to compare their performances. The equations determining the gains of I-P controller which satisfy the design specifications such as the settling time and maximum percent overshoot are presented and the results are verified through the computer simulation ad experiments. Also, the condition for the setting time is presented to guarantee the system linearity.
The proposed technique is successfully extended to two types of converters using only two active which are the half bridge type and the B-type. Since the B-type can not be operated on two successive powering modes, the free resonance mode should be intentionally applied at the even events. Under this consideration, a new state equation is derived to express the dynamics of the output voltage and resonant capacitor voltage. The equations determining the gains for both types are derived including the winding ratio of an isolation transformer. The usefulness of these equations is verified through the computer simulation. Also, the controllable range of the output voltage according to the winding ratio is presented and the winding ratio which minimizes the ripple magnitude of output voltage is analytically suggested.
그동안 고전력 밀도를 갖는 콘버터에대한 점증하는 요구때문에 공진형 전력변환에 대한 많은 연구가 있어왔다. 그중에서 퀀텀 직렬 공진형 콘버터라고 불리워지는 새로운 형태의 공진형 콘버터가 최근에 소개되었다. 이러한 종류의 콘버터는 영전류 스위칭 조건과 기존의 펄스폭 변조 방식의 콘버터와 마찬가지로 선형적인 특성과 같은 많은 장점을 가지고있다. 그러나 고정된 적분 주기 모드에 따른 양자화된 출력 전압과 큰 출력 전압 맥동은 실용화에 주요 장애요인이 되고있다.
본 논문에서는 공진 전류 대신에 공진 캐퍼시터 전압을 상태 변수로하는 새로운 출력 전압 제어 방법들이 퀀텀 직렬 공진형 콘버터가 갖는 단점들을 극복하기 위하여 제시되었다.
이러한 일들을 하기 위하여 먼저 아이솔레이션 변압기의 권선비를 포함하여 공진 커패시터전압을 상태 변수로하는 풀브릿지 직렬 공진형 콘버터의 동적 모델링이 제시되었다.
이 동적 모델을 사용하여 먼저 풀브릿지 직렬 공진형 콘버터에 대한 데드빌 액션을 갖는 출력 전압 제어 방법이 소개되었다. 이 방법을 사용하여 출력 전압의 맥동이 크게줄고, 오직 출력 전압만을 궤환시키는 방방 제어 방식과 마찬가지로 빠른 기동 과도 응답이 얻어졌다.
좀 더 발전된 제어 방법으로서 내궤환 루프에서 공진 커패시터 전압을 제어하는 슬라이딩 모드 제어 방법이 이산 시간 영역에서 제시되었다. 이러한 방법으로써 공진 커패시터전압과 출력 전압의 에버리지 모션을 나타내는 1차로 축소된 모델이 얻어졌다. 이러한 축소 모델을 사용하여 비례, 비례-적분, 적분-비례 제어기와 같은 여러가지 형태의 출력 전압을 제어하는 외루프 제어기의 성능을 콤퓨터 시뮬레이션을 통하여 조사하였다. 정착 시간과 최대 오우버슈트와 같은 설계 시방을 만족하기 위한 적분-비례 제어기의 이득을 결정하는 식들이 제시되었으며 그 결과는 콤퓨터 시뮬레이션 및 실험을 통하여 입증되었다. 또한 시스템의 선형성을 보장하기위한 정착 시간에대한 조건이 제시되었다.
제안된 방법들이 하프브릿지 형태와 비(B) 형태와 같이 두개의 스위치만을 사용하는 콘버터에 대하여도 성공적으로 적용되었다. 비 형태는 두개의 연속적인 파워링 모드에서는 동작되어지지 않기때문에 자유공진 모드가 짝수번째에 의도적으로 가해져야만 한다. 이러한 조건하에서 출력 전압과 공진 커패시터 전압의 동특성을 나타내기 위한 새로운 상태 방정식이 유도되어졌다. 아이솔레이션 변압기의 권선비를 포함하여 두가지 형태의 콘버터에 대한 이득을 결정하는 방정식이 제시되었다. 이 방정식의 유용성은 콤퓨터 시뮬레이션으로 입증되었다. 또한 제어 가능한 출력 전압의 범위가 제시되었고 출력 전압의 맥동 크기를 최소화하는 권선비가 해석적으로 제시되었다.
