Nowadays, a high power efficiency has become more important because many electric devices have been developed and their power consumption has been increased continuously. Because a lot of power is supplied in worldwide, the environmental problems such as the energy resource depletion and global warming have been issued. Therefore, a high power efficiency in many electric devices is strongly required, and more guidelines are recommended. Moreover, since the consumers tend to prefer compact electric devices because of easy portability, most manufacturers make an effort to minimize their size.
Meanwhile, the power consumption has been more increased with the development of the information technology (IT) industry. After the IT market has been dramatically grown all over the world, many data processing devices such as laptop computers have been developed, and the processing data has been increased continuously. As a result, more server systems have been required, and the number of data centers, where many server systems are gathered, has been surged accordingly.
The laptop computer is one of the early models in the portable computers. Since it has outstanding performance compared with recent models like the smartphones and tablet PCs, it has been widely utilized until now. That is, the laptop computer has been developed with high performance and wide screen, which is differentiated from the other equipment. Therefore, the adapter for the laptop computer is required to have a high power rating, and small size for easy portability. However, when the adapter for the laptop computer operates at a high power level, it provides high power loss and heat. Since there is no cooling fan in the adapter, its low operating temperature is one of its most important issues, which indicates a high efficiency. Generally, to achieve a high efficiency in the adapter with a high power rating, the zero-voltage-switching (ZVS) topologies should be adopted, which consists of many components. Therefore, small-sized adapter with a high power rating is strongly required, obtaining a high efficiency.
Meanwhile, the server computer has also been developed highly with the increase of data centers, and its power rating has been increased because of a large amount of data. Therefore, the server power supply, which supplies the power to the server computer, is required to achieve a high power efficiency. Moreover, in the server power system, a high reliability is demanded due to the characteristic of the server system, thus the redundant structure is widely used in the server power applications, which indicates that many server power supplies are paralleled to prevent the system fault. That is, if something goes wrong with one or two server power supplies, other supplies make up for them. Accordingly, each server power supply is mainly operated under light load conditions, rather than heavy load conditions. Therefore, the efficiency in light load conditions has also become more important.
In this dissertation, the research is mainly focused on the power supplies with a high efficiency and power density, which is closely related to data processing devices widely utilized in IT industry. The research is divided into two parts as follows.
*Part 1. A Novel Accurate Primary Side Control Method for Half-Bridge LLC Converter
The conventional half-bridge (HB) LLC converter can be a good solution for high-efficiency adapter because of its simple structure and low voltage stresses on the primary switches. Additionally, since the zero-voltage-switching (ZVS) of the primary switches and zero-current-switching (ZCS) of the secondary switches can be achieved at the entire load conditions, the switching loss can be decreased.
The high-efficiency HB LLC converter is generally implemented by the secondary side control (SSC), using a HB LLC controller in the primary side, operational amplifier in the secondary side, and photocoupler in between the primary and secondary side to regulate the output voltage. However, since this SSC method requires at least three ICs with different grounds, it is difficult to integrate them into a single-chip, which increases the size and cost of the control stage.
In this part, a new PSC method is proposed to have low component count in the control stage and accurately regulate the output voltage in high-efficiency HB LLC converter for a high power adapter. In the proposed PSC method, the output voltage is regulated by obtaining the voltage across the primary side of the transformer when the external resonant inductor voltage becomes 0V. At this time, since the voltage across the transformer secondary leakage inductor is small, the proposed method can accurately regulate the output voltage. Moreover, the proposed PSC method can decrease the size and cost of the control stage by eliminating the photocoupler and secondary feedback circuitry. The circuit configuration, operation principle, and relevant analysis for the proposed PSC method are presented and verified by 85W prototype realized with a high power laptop adapter (400V input, 20V/4.25A output).
*Part 2. A High Efficiency PFM Half-Bridge Converter Utilizing a Half-Bridge LLC Converter under Light Load Conditions
The conventional half-bridge (HB) converters with the output inductor have common problems such as the primary and secondary switch turn-off losses and snubber loss in the secondary side caused by the output inductor, which degrades light load efficiency. To relieve these limitations of the conventional HB converters, a new HB converter, which employs one additional switch and capacitor in the secondary side, is proposed for a high efficiency under light load conditions in this part. Since the proposed converter operates like the HB LLC converter with below operation by turning on additional switch under light load conditions, the switch turn-off losses and snubber loss can be minimized, and the zero-voltage-switching (ZVS) capability can be improved. Consequently, the proposed converter can achieve a high efficiency under light load conditions. Moreover, since additional components can be implemented with compact size, the power density of the proposed converter can be maintained compared with that of the conventional HB converters. The circuit configuration, operation principle, and relevant analysis for the proposed converter are described and verified by 300W prototype for a server power supply (330~400V input, 12V/25A output).
전세계적으로 인간이 생활하는 데 있어 전기는 이제 필수적이라 할 수 있고, 수많은 전자 제품을 사용하면서 높은 전력 효율은 점차 중요해 지고 있다. 전력 효율의 차이는 같은 전력을 사용하더라도 공급 전력의 차이를 가져오기 때문에 그만큼 비용의 차이가 생긴다. 또한, 회사에서는 대규모 전력을 사용하기 때문에 전력 효율이 낮을 시 많은 열이 발생하고 이를 냉각시키기 위한 엄청난 추가 비용이 발생한다. 게다가, 에너지 자원 고갈과 지구 온난화와 같은 환경 문제가 계속 부상하고 있다. 따라서, 높은 전력 효율에 대한 요구가 많이 생겨나고 있으며, 그에 대한 가이드라인도 계속해서 제시 되고 있다. 또한, 소비자들이 휴대하기 편리한 전자 제품을 선호하기 때문에, 점차 작은 크기를 갖는 전자 제품에 대한 요구가 급격히 증가 되고 있다.
한편, 최근 가장 급부상하고 있는 산업으로 단연 IT 산업을 꼽을 수 있다. 모든 정보가 데이터화 되면서 데이터 사용량이 계속해서 늘어나고 있으며, 그에 따라 IT 시장도 급속도로 증가하고 있다. 컴퓨터 기술의 발전으로 그 크기가 계속해서 작아지면서, 손에 들고 다니며 데이터를 처리할 수 있는 기기들이 많이 개발되었다. 따라서, 최근 수년간 개인용 컴퓨터 중 데스크톱 컴퓨터의 수요는 주춤한 데 비해 노트북 컴퓨터의 수요는 꾸준히 증가하고 있고, 이러한 추세는 계속될 것으로 전망된다. 또한, 온라인 데이터의 증가와 함께 데이터 센터가 전세계적으로 급격하게 늘어나고 있고, 그 안에 들어가는 서버 컴퓨터 역시 높은 수요를 보이며 많은 개발이 이루어지고 있다. 따라서, IT 산업을 대표하는 노트북 컴퓨터와 서버 컴퓨터에 전원을 공급하는 높은 효율 및 높은 전력 밀도를 갖는 전원 장치에 대한 연구가 매우 중요시 되고 있다.
노트북 컴퓨터는 소비자들의 기호에 따라서 점차 화면은 커지고 성능은 좋아지고 있다. 그에 따라 전원을 공급하는 노트북 어댑터 역시 높은 전력 사양을 갖도록 요구되고 있다. 어댑터에는 팬이 없기 때문에 동작 시 발열이 가장 큰 문제가 되며, 특히 높은 전력 사양을 갖는 어댑터는 발열이 더욱 문제시 되므로 낮은 동작 온도를 위해 중 부하 영역에서의 고효율이 매우 중요하다. 따라서, 어댑터의 높은 효율을 달성하기 위해서 영 전압 스위칭 토폴로지가 주로 사용되는 추세이지만, 많은 소자들로 인해 어댑터의 크기를 감소시키는데 한계를 갖는다. 따라서, 높은 전력 사양을 갖는 어댑터의 경우, 높은 효율을 가지며 높은 전력 밀도를 성취할 수 있는 연구가 필요하다.
*Part 1. 하프-브리지 LLC 컨버터를 위한 정밀한 1차 측 제어 방식
기존의 하프-브리지 LLC 컨버터는 넓은 영 전압 스위칭 능력으로 인해 높은 효율을 요구하는 높은 전력 사양을 갖는 어댑터에 유리하다. 하지만, 일반적으로 사용 되는 1차 측 제어 방식은 1차 측 및 2차 측에 많은 제어 소자를 필요로 하므로, 제어 단의 부피를 증가 시켜 어댑터의 크기를 증가시킨다.
따라서, 본 장에서는 제어 단의 부피를 저감하며, 정확한 출력 전압 제어가 가능한 높은 효율의 하프-브리지 LLC 컨버터를 위한 1차 측 제어 방식을 제안한다. 제안 된 제어 방식은 1차 측 공진 인덕터에 걸리는 전압이 0V가 될 때, 변압기의 1차 측 전압(=출력 전압)을 획득함으로써 출력 전압을 제어 한다. 이 시점에서 2차 측 누설 인덕터에 걸리는 전압이 매우 작기 때문에, 변압기의 1차 측 전압은 출력 전압과 거의 동일하므로 출력 전압을 정밀하게 제어할 수 있다. 또한, 제안 되는 1차 측 제어 방식은 2차 측 제어 회로 및 포토 커플러를 제거할 수 있으므로, 제어 단의 부피를 저감하여 어댑터의 크기를 감소시킨다. 이를 검증하기 위하여 제안된 제어 방식이 적용 된 85W 노트북 어댑터의 시제품을 제작하고 기존 컨버터와 비교를 통하여 그 성능을 확인하였다. 이와 같은 연구는 높은 효율을 가지며 높은 전력 밀도를 요구하는 높은 전력 사양을 갖는 어댑터 사양에서 유용하게 사용될 것으로 기대 된다.
Part 2. 경 부하 조건에서 하프-브리지 LLC 컨버터를 이용한 높은 효율을 갖는 주파수 변조 방식의 하프-브리지 컨버터
출력 인덕터를 갖는 기존의 하프-브리지 컨버터들은 중 부하 영역 이상에서 작은 도통 손실로 인해 높은 효율을 나타낸다. 하지만, 이러한 컨버터들은 오히려 경 부하 영역에서 스위치의 턴-오프 손실 및 스너버 손실로 인해 공통적으로 낮은 효율을 보인다.
따라서, 본 장에서는 출력 인덕터를 갖는 기존의 하프-브리지 컨버터들의 단점을 보완하기 위하여, 2차 측에 1개의 스위치와 커패시터를 추가 한 주파수 변조 방식의 하프-브리지 컨버터를 제안한다. 제안 된 회로는 경 부하 영역에서 추가적인 스위치를 킴으로써 CLC 필터를 갖는 하프-브리지 LLC 컨버터로 동작하기 때문에, 스위치의 턴-오프 손실 및 스너버 손실을 최소화할 수 있으며 영 전압 스위칭 능력을 향상 할 수 있다. 따라서, 제안 된 회로는 중 부하 영역 이상 뿐만 아니라 경 부하 영역에서도 높은 효율을 달성할 수 있다. 게다가, 추가되는 소자의 부피가 작기 때문에, 기존의 하프-브리지 컨버터들과 비슷한 전력 밀도를 갖는다. 이를 검증하기 위하여 제안된 회로가 적용 된 300W 서버용 전원 장치의 시제품을 제작하고 기존 컨버터와 비교를 통하여 그 성능을 확인하였다. 이와 같은 연구는 높은 효율을 가지며 높은 전력 밀도를 요구하는 서버용 전원 장치 사양에서 유용하게 사용될 것으로 기대 된다.
