Due to dramatic improvement of the information technology and explosive use of mobile devices, the amount of the processing data has been greatly increased. To handle this numerous data, a lot of data center has been built more and more, and the number of server computers that are installed in data center to process the data directly is continuously growing up. In accordance with this tendency, the power consumption of the server power supply which provide electric power to the sever computers has been also increased considerably. Thus, the high power quality, such as high PF (power factor) and low THD (total harmonic distortion), is necessary for the server power supply to minimize power loss resulting from the circulating current and prevent damage of line voltage and current. In addition, the server power supply has to be easy to maintain and have to meet the stringent requirement of reliability to prevent loss of data. As a result, the server power supply adopts the redundant structure for a high reliability, and it normally operates under 50% load conditions. Moreover, the data traffic of the data center during nighttime is significantly lower than the maximum data traffic at daytime, the sever power supply operates under 10% load conditions over 8 hours per day. For this reason, the 80 PLUS incentive program and Climate Saver Computing Initiative gradually reinforce requirements about efficiency and PF from full load conditions to 10% load conditions, and these requirements tend to be extended to even 5% load conditions. To satisfy these stringent requirements, the continuous conduction mode (CCM) boost power factor correction (PFC) converter is commonly used in sever power supply, because of low conduction loss and small EMI filter size resulting from small current ripple. However, the power quality of CCM boot PFC converter is severely decreases at high line and light load conditions. Therefore, it is hard to meet the reinforced requirement with CCM boost PFC converter that uses conventional average current control (ACC) method.
This is caused by two reasons. The first reason is the phase leading circulating current caused by the EMI and input capacitor in CCM boost PFC converter. Since the EMI and input capacitor is parallel connected with CCM boost converter, this phase leading circulating current is increased larger and larger as line voltage is increased. As a result, in high line and light load conditions, the phase leading circulating current charges large proportion of the line current, and it degrade displacement PF. The second one is operation in discontinuous conduction mode (DCM) and mixed conduction mode (MCM), which is CCM-DCM transition mode. In DCM mode, the unpredictable current oscillation caused by parasitic components of switch and
diode leads to inductor and line current distortion, and in MCM mode, dynamics change between CCM and DCM results in current distortion. Therefore, a considerable phase difference between voltage and current, and current distortion degrade power quality especially in high line and light load conditions.
Nowadays, due to the reduced cost and design flexibility, the digital control for power converters has gained remarkable attention, and a lot of control algorithms are developed and implement to control CCM boost PFC converter. However, aforementioned problems have not been deal with till now. Thus, in order to overcome drawbacks of the conventional control methods, several digital control methods that compensate the phase leading circulating filter current and the minimize current distortion by predictive peak current control are proposed and verified in this dissertation. Therefore, the power quality of the proposed control methods greatly improved compared with other conventional control methods.
Part 1. A Digital Phase Leading Filter Current Compensation Technique for CCM Boost PFC Converter to Improve PF in High Line Voltage and Light Load Conditions
In order to relieve the switching noise of the power supply and prevent disrupt nearby equipment, the EMI filter should be employed in front of PFC converters. Since, the EMI filter is parallel connected with the CCM boost PFC converter, the capacitor in EMI filter causes the phase leading circulating current, and it is not only independent of the load conditions, but also larger and larger as line voltage increases. In addition, conventional control methods are not take into account the phase leading circulating current, and it make the inductor current follow to the line voltage. As a result, the displacement PF is considerably decreases in high line and light load conditions, because the phase leading circulating current is added to the line current, and it is hard to meet requirement in high line and light load conditions with conventional control methods,
To cope with this drawback, a digital phase leading filter current compensation method for CCM boost PFC converter to improve power quality is proposed in this dissertation. The proposed control method analyzes and derives the magnitude and phase of the phase leading current, and it compensates this phase leading current from the current reference correction and enhanced duty-ratio feed-forward. Because of these reasons, the proposed control method modulates the line current in phase with the line voltage can be achieved, and the switching dead-zone near the zero crossing of line voltage can be implemented naturally. Therefore, a high PF and low THD as well as high efficiency in high line and light load conditions can be achieved by the proposed control method. To verify the effectiveness of the proposed control method, the prototype of universal input ($85-265V_{AC}$) and 750W output CCM boost PFC converter for server power supply is experimented. As a result, the PF is improved greatly, and over 0.95PF which fulfills the reinforced requirement is achieved in high line and light load conditions. Furthermore, it slightly improves the efficiency under 10% load conditions.
Part 2. A Digital Predictive Peak Current Control for Power Factor Correction with Low-Input Current Distortion Analysis
In case of CCM boost PFC converter, it operates in DCM in high line and light load conditions due to the low inductance for a high power density, although it operates in CCM in low line or heavy load conditions. To modulate the sinusoidal inductor current, average current control (ACC) methods are commonly used for CCM boost PFC converter. However, with conventional ACC methods, the operation in DCM of CCM boost PFC converter suffers from the unpredictable and high frequency current oscillation caused by the parasitic component, and it results in the current distortion in DCM. Moreover, while the CCM boost PFC converter operate in MCM, it induces a large current distortion due to abrupt dynamics change. These are because that the limited current control bandwidth and gain induced by S&H and time delay of the digital controller insufficient to reject the disturbance and properly compensate the dynamics change. As a result, the current distortion in DCM and MCM is unavoidable with conventional digital average current control methods.
To solve the aforementioned problems, a digital predictive peak current control (PCC) method for CCM boost PFC converter to eliminate current distortion is proposed in this dissertation. The proposed control method estimates the duty, operational region, and peak inductor current corresponding to the input and output conditions by using DC-conversion ratio in CCM and DCM. Moreover, the slope ramp and current reference for PCC is predicted to cancel the improper sub-harmonic oscillation of inductor current and guarantee the stability of the proposed control method. Thus, since the proposed control method constrain the peak inductor current, it dramatically reduces the current oscillation in DCM, and it also removes the current distortion in MCM. Furthermore, the current compensator which requires a high control bandwidth and gain is not needed in the proposed control method, and the burden of DSP is reduced due to the predictive peak current control. To verify the validity of the proposed control method, the prototype of universal input and 750W output for server power supply is implemented. Therefore, THD is significantly improved in DCM and MCM, and almost 7% THD is achieved at high line 10% load conditions.
In this dissertation, the high PF and low THD digital PFC control methods for single phase continuous conduction mode (CCM) boost PFC converter are presented, and a high power quality is achieved by proposed control methods. Therefore, proposed control methods are very promising and can be widely adopted for server power supply as well as power supplies which use AC line input.
최근 정보 기술의 발달에 따라, 서버 컴퓨터와 같은 데이터 처리 장비에 대한 요구는 지속적으로 증가하고 있으며, 이를 위한 전원장치 시장 또한 급격히 성장하고 있다. 전원장치 시장의 성장과 더불어, 데이터 처리 장치의 소모 전력 역시 급격히 증가하고 있어 데이터 처리 장치는 높은 효율 외에도 무효 전력을 최소화 시킬 수 있도록 높은 전력 품질이 요구된다. 또한 데이터 처리 장비용 전원 시스템은 데이터 손실 등을 방지 하기 위해 높은 신뢰성과 유지 보수성을 만족시켜야 한다. 이를 위해 데이터 처리 장비용 전원 시스템은 병렬 컨버터 모듈 구조를 적용하고 있으며, 이에 전원 시스템은 일반적으로 50% 이하의 부하에서 동작하게 된다. 더욱이 데이터 처리 장치의 경우 저녁 시간 이후 데이터 처리량이 급격히 감소함에 따라 하루 8시간 이상 10% 이하의 경 부하에서 동작하기에, 경 부하 시 높은 효율과 더불어 10% 부하 조건에서 역률 0.95이상이라는 높은 전력 품질이 제조사로부터 요구 되고 있다.
본 논문에서는, 단상 연속 도통 모드 부스트 역률 보상 회로의 높은 입력 전압 경 부하 동작 시 높은 전력 품질을 위한 디지털 제어기법에 관한 연구를 진행한다. 역률 보상 회로의 경우, 높은 입력 전압과 경 부하 시 EMI 필터 전류의 영향으로 입력 전류 위상이 앞서며, 역률이 감소할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 위상 지연된 인덕터 전류로 하여금 EMI 필터 전류를 보상하는 전류 제어 방식에 대해 연구 한다. 또한 단상 연속 도통 모드 부스트 역률 보상 회로는 높은 입력과 낮은 출력에서 불연속 도통 모드로 동작하게 되며, 이때 회로 내 기생성분의 공진에 의해 입력 전류 왜곡이 발생한다. 더욱이 불연속 도통 모드에서 연속 도통 모드로 동작 변화 시 급격한 동특성 변화에 의해 추가적인 전류 왜곡이 나타나므로, 이를 저감하기 위한 예측 첨두 전류 제어기법을 제안한다.
Part 1. 높은 입력 및 경 부하 시 높은 역률을 위한 EMI 필터 전류 보상 제어기법
전원 장치에서 발생되는 스위칭 노이즈 및 전류 리플 등의 EMI는 전원의 불안정성을 초래하며 타 기기에 악영향을 초래할 수 있어, 전원장치 입력 단에 EMI 필터를 적용하여 EMI의 영향을 최소화 한다. 하지만 EMI 필터는 입력과 병렬로 연결된 커패시턴스에 의해 부하와는 독립적인 순환 전류를 발생시키며, 입력 전압이 증가함에 따라 순환전류 또한 증가한다. 기존 디지털 제어기법의 경우 EMI의 순환 전류를 고려하지 않고 인덕터 전류를 입력 전압과 동위상으로 제어하기 때문에, 입력 전류에는 인덕터 전류와 함께 EMI 필터의 순환 전류가 흐른다. 따라서 높은 입력 전압과 경 부하 조건에서 동작 시, 순환 전류에 의해 입력 전류의 위상이 앞서게 되며, 강화되고 있는 역률 규제를 만족 시키지 못한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, EMI 필터에 흐르는 순환 전류의 크기와 위상을 이론적으로 분석하였고, 순환 전류의 위상과 크기를 보상하여 인덕터 전류를 제어 함으로써 입력 전류의 위상 변화를 최소화 하는 제어 기법을 제안 한다. 제안 된 제어기법의 경우 인덕터 전류 지령 보정과, 향상된 시비율 전향 보상기를 적용하여, EMI 필터의 순환 전류만큼 인덕터 전류의 위상을 지연 시키고, 입력 전류를 입력 전압과 동위상으로 제어 한다. 또한 스위칭 dead-zone을 생성함으로써, 경부하 동작 시 향상된 효율을 얻을 수 있다. 제안된 제어기법은 750W 데이터 처리용 전원장치를 통해 검증 되었으며, $230V_{AC}$, 10% 부하에서 0.96이라는 높은 역률을 달성하여 동 조건에서 0.95이상의 역률을 요구하는 강화된 규제를 만족한다.
Part 2. 역률 보상 회로의 입력 전류 왜곡을 저감하기 위한 예측 첨두 전류 제어기
단상 연속 도통 모드 부스트 PFC 컨버터의 경우, 낮은 입력 전압 조건에서는 연속 도통 모드 동작을 하지만, 높은 입력 전압 경 부하 동작 시 불연속 도통 모드로 동작 하게 된다. 이때, 불연속 도통 모드에서는 스위치와 다이오드의 기생 성분에 의해 고주파 공진이 발생하며, 전류 제어기에서 왜란이 발생하게 되고 높은 제어기 이득을 필요로 한다. 하지만, 기존 디지털 제어기법 경우 S&H에 의해 전류 제어기 대역폭이 제한되므로, 전류 왜란을 감쇄하지 못하고 입력 전류의 고주파 왜곡을 초래한다. 또한 인덕터의 전류가 불연속 도통 모드에서 연속 도통 모드로 전환 될 경우 급격한 동특성의 급격한 변화가 발생되고, 이를 위해 높은 이득의 제어기가 필요하나, 부족한 이득의 전류제어기가 전류 지령을 올바로 추종하지 못해 추가적인 전류 왜곡일 발생한다.
본 논문에서는, 서버용 전원 장치의 전류 왜곡 저감을 위해 예측 첨두 전류 제어기를 제안한다. 제안된 방식은 시비율 예측과 동작 모드 판별을 통해 인덕터 첨두 전류를 예측한다. 또한 첨두 전류 제어기의 안정성 향상을 위한 slope ramp와 이를 고려한 전류 지령을 생성함으로써, 첨두 인덕터 전류를 효과적으로 제한한다. 따라서 제안된 제어기법은 기생 성분의 공진에 의해 발생되는 왜란에 강인하고, 동특성 변화에 따른 전류 왜곡을 최소화 할 수 있다. 제안된 제어기법은 750W 데이터 처리용 전원 장치에 적용 하여 $230V_{AC}$, 10% 부하 시 THD 5% 이상을 경감 하는 등 전 입력 전 부하 조건에서 THD 성능을 개선하였다.
본 연구에서는 높은 역률을 달성 가능한 제어기법과 전류 왜곡 저감이 가능한 제어기법을 제안한다. 제안된 제어기법은 향후 높은 전력 품질을 요구하는 데이터 처리 장비용 전원 장치 외에도 PFC단을 사용하는 모든 전원 장치에 널리 응용 가능 하리라 기대한다.
