The resonant operation of inductor and capacitor provides zero crossing points of capacitor voltage or inductor current. When the switching devices in a converter are switched on or off in synchronization with the voltage or current zero crossing points, the switching loss and electro magnetic interference can be significantly reduced. In case of conventional bard switching converters, the switching loss increases proportional to the switching frequency and thus the volume of the heat sink to protect the switching devices from thermal runaway should be increased. Recently, many active research works on high frequency resonant mode operating converters have made it possible to achieve high efficiency small size and light weight converter in a variety of industrial particularly aerospace applications.
High switching frequency is the key to reduce the size and weight of the reactive elements and isolation transformer in the construction of the converters. Besides the reduced size and weight, faster response time and lower acoustic noise are obtained as a result of the high switching frequency. Although the main role of the inductor and the capacitor in the resonant converters in the reduction of switching loss, however, high VAr ratings of the reactive components are required and the switching frequency should be varied to regulate the output power because the power is transferred from source to load through inductor-capacitor resonant tank. Thus the design of magnetic components becomes difficult.
This paper proposes several types of new partial resonant converters to obtain constant operating frequency with simple control and low VAr ratings of reactive elements as well as low switching loss, low acoustic and EMI noise, high power density and fast response time. The power of the proposed converters is transferred thorough the inductor as for the chopper and inductor-capacitor resonant operation occurs partially only during a short period starting at the instants of switchings to provide merely zero-voltage or zero-current switching condition. The proposed mixed mode operation of zero-voltage switching and zero-current switching enables such a partial resonance. Thus particularly, resonant capacitor rating can be significantly reduced because the resonant energy has little or no role in the actual power transfer. The validity of operation of each proposed converter is shown by circuit analyses and simulations and proved through experiments.
The low switching loss implies high efficiency and increased energy saving. One of the proposed converters is applied to electronic ballast to increase the ballast efficiency. Discharge lamp efficacy (lm/w) increases as a function of the frequency of the applied power. At high frequencies above 20㎑, luminous efficacy of fluorescent lamp increases by about 10-20 percent comparing with that at 50-60㎐. Advanced technology in semiconductor devices and those applications have made it possible to operate fluorescent lamps at much higher frequencies. Thus various works about the high frequency electronic ballast have been reported for the purpose of further energy saving. Besides the energy saving, it provides reduced weight and size, low audible noise, reduced flicker and strobe effects and dimming capability. The dimming characteristics can reduce energy consumption and demand considerably particularly when associated with an appropriate control system. The proposed converter improves the ballast efficiency further due to the continuous dimming and the low loss of zero-voltage and zero-current switchings. Furthermore, the proposed electronic ballast provides important characteristics such as soft starting, proper cathode heating, etc. for long lamp life with simpler structure compared with the conventional electronic ballasts. Simulations and experiment are carried out for FL 40 fluorescent lamp drive using 20㎑ operating frequency.
인덕터와 캐패시터에 의한 공진 발생시 인덕터의 전류와 캐패시터의 전압은 각각 영 점을 기준으로 양에서 음으로, 음에서 양으로 변화하는 진동을 한다. 이들 공진 전압, 전류의 크기는 항상 영 점을 포함한다는 성질을 반도체 스위칭 소자를 이용한 전력 변환기(콘버어터)에 적용하면 기존의 콘버어터가 갖는 몇 가지 문제점들을 극복할 수 있어서 콘버어터의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. 즉, 전압이나 전류가 영 점을 통과할 때 스위칭 소자를 개(ON), 페(off)시키는 소프트 스위칭(soft switching) 조건을 만족시켜 줌으로써 반도체 소자의 스위칭 손실 뿐아니라 전기적 노이즈(noise)를 최소화할 수 있다. 기존의 하드 스위칭(hard switching) 콘버어터는 소자들의 스위칭 손실로 인하여 동작 주파수가 증가함에따라 소자를 과열에 의한 파괴로부터 보호하기 위한 방열판의 크기가 증가하여야하며 아울러 콘버어터의 효율이 저하한다.
최근에 각광을 받고 있는 저손실 공진형 콘버어터에 관한 활발한 연구 결과, 동작 주파수를 수 십 kHz 이상 높임으로써 콘버어터 구성의 대부분을 차지하는 필터용 리액티브 소자, 절연 변압기 및 방열판 등의 크기와 무게를 상당히 줄이게되어 특히 항공기 등의 비행체에서 절실히 요구되는 보다 소형이며 경량인 전력 변환기를 가능케하고 있다. 콘버어터의 동작 주파수를 높임으로써 구성 전체의 부피, 중량의 경감은 물론 응답 속도가 더욱 빨라지고 가청 주파수 이상에서 동작시 소음이 거의 없어지는 장점도 있다. 이러한 공진형 콘버어터에서의 인덕터, 케패시터의 주 역할은 스위칭 손실을 경감시키는 것이지만 입력으로부터 출력으로의 에너지 전달이 인덕터, 캐패시터의 공진 에너지를 매개로 하기 때문에 두 소자의 리액티브 정격 용량(VAr rating)이 기존 콘버어터에 비해 크며 출력을 제어하기 위해서는 스위칭 주파수를 변화시켜야하는 단점이 있다.
본 논문에서는 리액티브 소자들의 정격 용량이 적고 동작 주파수가 일정할 뿐더러 스위칭 손실도 적은 몇 가지 새로운 형태의 부분 공진형 콘버어터들을 제안한다. 제안된 콘버어터들은 기존의 쵸퍼(chopper)에서와 같이 인덕터를 에너지 전달 매개체로 하고 스위칭 시점 근방에서만 부분적으로 인덕터-캐패시터의 공진이 발생하는 구조를 갖는다. 따라서 공진형 콘버어터에서의 영 전압 혹은 영 전류 스위칭 조건과는 달리 영 전압과 영 전류 스위칭이 한 주기 내에 혼합되어 발생하는 독특한 특성을 갖는다. 또한, 인덕터-캐패시터의 공진은 단지 영 전압, 영전류 조건을 만족시키기 위해 스위칭 시에만 잠시 발생하기 때문에 그 공진 에너지는 입력에서 출력으로 전달되는 에너지에 비해서 무시할 수 있을 정도로 적어서 특히 케패시터의 정격 용량은 공진형 콘버어터에 비해서 매우 줄어 들게 된다. 인덕터 전류의 크기를 결정하는 4 가지 요소 즉, 직류 전류 오프셋(offset), 인덕터 인가 전압, 인덕턴스 값, 그리고 전압이 가해진 시간 등을 변수로 해서 각각 그에 관한 부분 공진 콘버어터를 고안하였으며 고안한 회로의 해석과 시뮬레이션을 통해서 동작의 타당성을 증명하였고 실험을 통하여 검증하였다.
영 전압 및 영 전류 스위칭으로 인한 손실의 최소화는 효율을 증가시키며 이는 그 만큼의 에너지 절감 효과를 가져 온다. 제안된 콘버어터를 각 가정, 일반 사무실, 공장 등지에서 조명 장치로 광범위하게 사용되고 있는 형광등의 안정기에 적용을 하면 에너지 절감은 물론 형광등의 수명을 더욱 연장시키는 효과도 있다. 60 Hz 에서 사용하는 형광등을 약 20 kHz 이상의 주파수에서 동작을 시키면 발광 효율(lm/w)이 10-20 % 증가하는 특성이 있다. 반도체 스위칭 소자를 이용한 전자식 안정기는 60 Hz 철심 코아 코일(core coil)식 안정기를 대체하여 원하는 주파수로 동작 시킬 수 있을 뿐더러 형광등의 전력을 제어할 수 있어서 실내 조도를 일정하게 유지하면 필요 이상의 전력 소모를 방지해 줌으로써 더욱 향상된 에너지 절감을 가능하게 한다. 즉, 주간에 실외로부터의 태양광에 의한 조도에 해당하는 전력을 절감하게 되는 등의 효과가 있다. 전자식 안정기는 상당한 에너지 절감 효과 외에도 소프트 스타팅(soft starting) 등의 테크닉으로 램프의 수명을 더욱 연장시켜주는 등의 다양한 장점을 갖고 있어서 이에 대한 연구가 매우 활발히 진행되어 왔다. 제안된 콘버어터를 이용한 전자식 안정기는 영 전압, 영 전류 스위칭으로 효율의 극대화를 도모함으로써 에너지 소모를 더욱 줄였으며 안정기의 일반적 요건을 보다 간단한 구성으로 만족시켜 주고 있다. 본 논문에서는 40 W 형광등에 대해 시뮬레이션 및 실험을 통하여 일반적 요건들이 만족되고 있음을 보여준다.
