In this thesis, a new control method named as an integral cycle mode control for resonant converters is proposed. Output voltage of the resonant converter is controlled by proper selections of switch modes and the switch modes are analyzed for the resonant converters. Dc transfer functions are derived under the given load and control pattern and they are quantized due to resonant operation. Therefore, the resonant converter controlled by integral cycle mode is named as a quantum resonant converter (QRC) in this paper. The practical control scheme is suggested, simulated and verified through the experiment. In the proposed control scheme, zero current or zero voltage switching conditions are always guaranteed because switching instants are always synchronized with zero crossing points of the resonant current (in series resonant converter (SRC)) or voltage (in parallel resonant converter (PRC)). Because of the zero current or zero voltage switching characteristic of the quantum resonant converter, the switching stress and switching loss of the device are considerably low and the resonant converter can be operated at high frequency. Thus magnetic components and capacitors can be reduced in the size and weight.
The models of the quantum resonant converters are simple and exact practically. The quantum SRC is modeled as a conventional buck/boost dc/dc converter. The quantum PRC is modeled as a conventional Cuk, buck or boost converter. The validity of the proposed models is verified through analyses, simulations and experimental results. From these results, it is shown that series and parallel resonant circuits of the resonant converter are modeled as an equivalent indictor and capacitor, respectively. Dc and ac transfer functions of the quantum resonant converters are derived from analytical results, which are analogous to those of the conventional PWM converter except the quantized characteristics. Hence, systematic control algorithms for the PWM dc/dc converter can be applied to the quantum resonant converter, which results in easy control.
For generalization of the quantum resonant converter including ac/ac applications, a new concept of quantum series resonant switch (QSRS) and quantum parallel resonant switch (QPRS) modules which operate to zero current and zero voltage switching conditions, respectively is suggested, analyzed and modeled. The QSRS and QPRS modules are modeled as an equivalent indictor and capacitor, respectively. The models are confirmed by analytical verifications. Therefore, generalized quantum resonant converters with the same characteristics as those of conventional PWM converters are obtained by replacing the indictor or capacitor of the PWM converter with the QSRS or QPRS module. So, the main characteristics of the quantum resonant converters are analogous to those of the conventional PWM converters. Generally, the resonant switch modules can be applied for ac/ac converters by replacing the dc-link indictor or capacitor of conventional PWM converters with the QSRS or QPRS module. As a results, the quantum resonant ac/ac converters are obtained systematically and they are modeled as the conventional ac/ac converters and can be controlled by the same feedback algorithms as those of the convectional dc link ac/ac converters. Thus, the proposed quantum resonant ac/ac converters are useful because of their soft switching and simple model characteristics.
본 논문에서는 공진형 콘버어터에 대해서 주기 적분 제어라고 명명된 새로운 제어 방식을 제안하였다. 제안된 제어 방식에 있어서, 공진형 콘버어터의 출력 전압은 스위치 모우드의 적절한 선택에 의해서 제어된다. 각 스위치 모우드는 공진형 콘버어터에 대해서 해석되었다. 또한, 직류 전달함수는 주어진 부하 조건 및 제어 패턴에 의해서 구해지며, 공진 동작 특성에 의하여 양자화된다. 이러한 특성 때문에 본 논문에서는 주기 적분 방식으로 제어되는 공진형 콘버어터를 Quantum 공진형 콘버어터(QRC)라고 이름 붙였다. 또한, 폐회로 제어 루우프를 갖는 실제적인 제어 방식이 제시되었고 실험을 통하여 구현 되었다. 제안된 제어 방식에 있어서, 직렬 공진형 콘버어터(SRC)에서는 공진 전류가, 병렬 공진형 콘버어터(PRC)에서는 공진 전압이 항상 영의 교차점에 동기되므로 영전류 혹은 영전압의 스윗칭 조건이 보장된다. 따라서, QRC는 소자의 스윗칭 스트레스 및 스윗칭 손실이 매우 낮아 고주파로 동작시킬 수 있으므로 마그네틱 소자 및 캐패시터의 크기 및 무게를 크게 줄일 수 있어서 고 전력 밀도(high power density) 시스템에 적합하다.
QRC의 모델은 실제적으로 간단하고 정확하다. 이때, Quantum 직렬 공진형 콘버어터(QSRC)는 기존의 buck, boost 혹은 buck-boost 콘버어터로 모델링되며 Quantum 병렬 공진형 콘버어터(QPRC)는 기존의 cuk, buck 혹은 boost 콘버어터로 모델링된다. 제안된 모델의 타당성은 해석, 시뮬레이션 및 실험 결과를 통하여 증명하였다. 그 결과, 공진형 콘버어터의 직렬 및 병렬 공진회로는 각각 PWM 콘버어터에서 등가 인덕터 및 등가 캐패시터로 모델링된다. QRC의 직류 및 교류 전달함수는 양자화 특성을 제외하면 기존의 PWM 콘버어터와 같은 특성을 보인다. 그러므로, QRC에 기존의 PWM 콘버어터의 체계적인 제어 알고리즘을 쉽게 적용 할 수 있을 것이다.
AC/AC 적용을 포함한 QRC의 일반화를 위해서, 항상 영전류 혹은 영전압의 스윗칭 조건으로 동작하는 Quantum 직렬 공진형 스위치(QSRS) 및 Quantum 병렬 공진형 스위치(QPRS)의 module이 제안되었고 모델링 되었다. QSRS module은 등가 인덕터로, QPRS module는 등가 캐패시터로 모델링된다. 이 결과는 해석적인 증명에 의해서 확인되었다. 그러므로, 기존의 PWM 콘버어터의 등가 특성을 갖는 일반화된 QRC는 PWM 콘버어터의 인덕터 혹은 캐패시터를 QSRS나 QPRS의 module로 대체함으로써 얻어지며, QRC의 시스템 특성은 기존의 PWM Converter와 유사하게 된다. 일반적으로 이들 공진 스위치 module은 기존의 PWM 콘버어터와 DC-link 인덕터 혹은 캐패시터를 QSRS 혹은 QPRS module로 대체함으로써 AC/AC 콘버어터에 대해서 그대로 적용할 수 있다. 이와같이 얻어진 AC/AC 콘버어터는 기존의 PWM DC-link 콘버어터와 같은 특성을 가지므로 기존의 PWM 콘버어터와 같은 제어 알고리즘으로 제어할 수 있는 장점이 있다. 또한 제안된 AC/AC QRC는 soft 스윗칭 특성을 갖고 모델 특성이 간단하므로 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
