In this paper, a new asymmetric half-bridge (AHB) converter integrated with hold-up time compensation circuit is proposed. The AHB converter is one of the most promising topologies in low-to-mid power applications because of zero-voltage switching (ZVS) of all switches and small number of components. But when the converter is designed considering the hold-up time condition, it has large transformer offset-current and small transformer turns-ratio. Although many researchers have studied to solve this problem, the advantages of conventional works are limited by losses from additional components. To solve this problem, a new AHB converter with an optimized efficiency is proposed in this paper. Since the proposed converter increases voltage gain using integrated boost converter during the hold-up time, it can be designed to obtain an optimized efficiency in nominal state, without losses from the additional components.
일반적인 파워 서플라이는 높은 PF와 낮은 THD를 얻기 위한 PFC 회로와, 일정한 출력을 유지하기 위한 DC/DC 컨버터의 2단 구조로 이루어져 있다. 이때, TV나 PC같은 어플리케이션에서 파워 서플라이는 불안정한 전력 망 상황으로 인하여 AC입력이 끊기게 되었을 때도 ‘홀드-업 시간’이라 불리는 시간만큼 더 동작을 할 수 있어야 한다. 홀드-업 시간 동안, PFC 회로의 출력에 존재하는 링크 캐패시터에 저장된 에너지를 통해 DC/DC 컨버터가 동작하게 되는데, 에너지가 줄어듦에 따라서 링크 캐패시터의 전압이 줄어들게 된다. 따라서 DC/DC 컨버터는 홀드-업 시간을 만족시키기 위하여 낮아지는 입력에 대해서도 출력을 일정하게 제어 할 수 있어야 한다.
비대칭 하프-브릿지 컨버터는 낮은 파워 스펙에서 좋은 특성을 보이는 토폴로지 중 하나이나, 홀드-업 시간을 만족시키기 위하여 넓은 입력전압 범위에서 설계되면 비대칭 동작으로 인한 문제점들을 발생시킨다. 먼저, 스위치의 비대칭 동작으로 인하여 트랜스포머에 큰 DC 오프셋 전류가 생기게 되고, 이로 인하여 트랜스포머의 자속 포화를 막기 위해 스펙에 비하여 큰 트랜스포머를 사용해야만 한다. 또한 낮은 입력전압에서도 출력 전압을 낼 수 있어야 하기 때문에 트랜스포머가 작은 턴 비를 갖도록 설계 된다. 트랜스포머가 작은 턴 비를 갖게 되면, 1차측에는 큰 RMS 전류가 흐르게 되고 2차측에는 큰 전압이 걸리게 된다. 따라서 큰 RMS전류와 성능이 좋지 않은 다이오드로 인하여 1,2차측에서 큰 도통 손실이 발생하여 효율이 낮아지게 된다.
이를 해결하기 위하여, 많은 연구들이 진행되어 왔다. 그 중, DCS HB 컨버터는 1차측 스위치를 대칭적으로 사용 할 수 있어 기존의 비대칭 동작으로 인한 문제점들을 해결 할 수 있다. 하지만 아직 작은 트랜스포머 턴 비로 인한 문제점들이 남아 있을 뿐 아니라, 추가되는 소자에서 발생하는 도통 손실이 효율을 크게 감소시키는 문제점이 발생한다.
앞선 접근 방법들과 다른 방법 중에서, ‘홀드-업 시간’만을 보상하여 회로가 홀드-업 시간에 상관 없이 최적으로 설계 될 수 있도록 하는 방법이 있다. Boost integrated AHB 컨버터는 2차측에 통합 된 부스트 컨버터의 높은 전압 이득을 이용하여, 홀드-업 시간 동안 낮아지는 입력전압에 대해서 출력 전압을 일정하게 유지 한다. 따라서 회로가 홀드-업 시간을 만족하도록 설계 될 필요가 없어지고, 기존에 넓은 입력전압 범위로 인해 발생되는 문제점을 모두 해결 할 수 있게 된다. 하지만 큰 전류가 흐르는 메인 출력전류 패스에 기존에 없던 다이오드가 추가되어, 부스트 컨버터가 작동하지 않는 노미널 상태에서도 추가소자로 인한 도통 손실이 크게 발생하여 효율을 저감시킨다.
따라서 본 연구에서는 넓은 홀드-업 시간을 만족 하면서, 모든 부하 조건에서 높은 효율을 만족하는 비대칭 하프-브릿지 컨버터를 제안한다. 제안하는 회로는 기존 비대칭 하프-브릿지 컨버터의 정류기 스위치를 추가하고, 출력 인덕터와 다이오드를 공유하여 부스트 컨버터를 내장시킨다. 따라서 boost integrated AHB 컨버터와 비슷하게, 부스트 컨버터를 이용하여 홀드-업 시간을 보상하므로, 회로가 최적으로 설계 될 수 있게 한다. 하지만, Boost integrated AHB 컨버터와 달리 부스트 다이오드를 정류기 다이오드와 병합함으로써, 메인 출력전류 패스에서 다이오드를 제거하였다. 따라서 기존의 회로가 갖는 장점은 그대로 유지한 채, 다이오드에서 발생하는 큰 도통 손실을 제거하여 높은 효율을 달성 할 수 있었다.
앞선 내용들을 검증하기 위하여 400V 입력, 45V/3.3A 의 150W급 파워에서 실험이 진행되었다. 실험 결과에는 제안하는 회로뿐만 아니라, 기존의 비대칭 하프-브릿지 컨버터, DCS HB 컨버터, boost integrated AHB 컨버터가 모두 포함되었다. 앞서 언급했듯이, 제안하는 회로는 기존의 회로들에 비하여 비대칭 동작이 크게 줄어들어 작은 트랜스포머를 사용 할 수 있었고, 코어 손실을 크게 저감 할 수 있었다. 또한 큰 트랜스포머 턴 비로 인하여 1차측 RMS 전류가 감소하여 1차측에서 도통 손실을 저감 할 수 있었을 뿐 아니라, 정류기에 성능이 우수한 다이오드를 사용하게 할 수 있었다. 결과적으로, 제안하는 회로는 간단한 소자와 제어기법을 통해, 기존의 방법들에 비해 전 부하 영역에서 높은 효율을 달성 할 수 있었다. 본 연구는 홀드-업 시간을 필요로 하는 TV나 PC와 같은 어플리케이션에서 주요하게 사용 될 수 있을 것이다.
