The modern society can be said to be the sea of information and the world of information. Various IT products, such as laptop, tablet PC, smart phones, which are commonly found around us, are becoming indispensable to modern society. IT industries are the fastest growing industries in recent years. In addition, they store and share all the information in a data. Recently, due to the development of Internet of things (IOT), it is also possible to exchange the information in various IT products. Moreover, the demand of server computers and data centers are rapidly increasing worldwide to cover the increased data throughput due to online, Internet, and IOT.
Electrical energy is essential for IT products, and IT products have continuously required the power conversion devices, which convert electrical energy to each application level. In other words, since these IT products require the battery charger and power supplies, the growth of the IT product market represents the growth of the power supply market. Therefore, the studies on the high efficient power converters are also actively under way for using IT products and energy saving.
Among these power converters, as the data throughput rapidly increases around the world, the demand of server power supply, which supplies the power to data centers and server computers, are increased to cover these huge data throughput. The server power supply is the collection of the best existing technologies to satisfy the various regulations and requirements. Looking at recent trends in power supply area based on this server power supply, they require high conversion efficiency and high power density. Especially, the efficiency and performance improvements under light-load condition are the most studied area in the power supply market. Indeed, due to the requirement of 10% efficiency in 80PLUS titanium level, no-load operation, and standby mode, there are also many requirements for light-load condition.
In this study, according to the trend, the light-load characteristics of power supplies are improved by DC/DC converter with half-bridge structure. DC/DC converters with half-bridge structure have disadvantages that the control is limited and the light-load efficiency is lower than other topologies because of small number of active devices. In this dissertation, among the half-bridge converters, a new asymmetric half-bridge converter with fixed switching frequency, which regulates output voltage using asymmetric duty of primary switches and additional switch, is proposed to improve the conversion efficiency over the entire load condition, especially light-load condition. In addition, the problem of light-load regulation in the half-bridge LLC resonant converter is analyzed by Bode plot and impedance asymptote, and the circuit for solving this problem is proposed.
Part 1. Study on the efficiency improvement of asymmetric half-bridge converter
The asymmetric half-bridge converter is a topology that can be used in various applications because it can carry a simple structure, control, and double-ended type rectifier which can use the transformer optimally. The asymmetric half-bridge converter applied to the server power supply has to have a wide input range to satisfy the hold-up requirement, which is the time to regulate the output voltage for 16~20 (ms) after input AC line is disconnected, to protect the data. As a result, it should be designed to have small duty cycle at nominal input condition and the overall efficiency is reduced, especially under light-load condition. In order to improve the conversion efficiency, the circuit of adding an external inductor to achieve zero voltage switching and a converter which can eliminate DC-offset current in transformer have been proposed. However, since the conversion efficiency drops are caused by asymmetric operation, this study proposes a new circuit that can provide an additional gain in order to use the duty cycle close to 0.5 at the nominal input condition.
The proposed converter is based on an asymmetric half-bridge converter with an external inductor and two clamp diodes. The clamp diode in lower side is switched to a switch and auxiliary winding of transformer is located in series to the external inductor. Through this result, it is possible to reduce the current of external inductor by using the auxiliary winding in the nominal input condition and to achieve the optimal design of asymmetric half-bridge converter. In the hold-up condition, in order to compensate for the insufficient gain, the additional switch operates and makes the external inductor current build up to change the current path and turn-ratio of the transformer. This operation achieves the additional gain so that the proposed converter has less condition loss, a wider zero voltage switching range, and higher conversion efficiency than the conventional asymmetric half-bridge converters in the nominal input condition. The proposed converter was verified by a 500 (W) proto-type converter and it satisfies the hold-up requirement, while it achieves the high conversion efficiency.
Part 2. Study on the light-load regulation problem of half-bridge LLC resonant converter
Among the resonant converters which regulate the output voltage by changing the switching frequency, the half-bridge LLC resonant converter has many advantages such as, high efficiency, small number of elements, and capability of high frequency operation so that it is the most used topology in recent years. However, LLC resonant converter has a problem that the output voltage increases under the light-load condition, so that it is limited to use the applications, which frequently operate under no-load condition or standby mode.
The main reason of the light-load regulation problem in LLC resonant converter is the junction capacitance of rectifier diode in secondary side. For the analysis, since the frequency characteristic with AC equivalent circuit of LLC resonant converter is plotted by Bode plot and impedance asymptotes, there are two high frequency poles located at the frequencies, where the impedance magnitude of $R_{ac}$ and $1/sC_{j,eq}$ are equal and the impedance magnitude of $R_{ac}$ and $sL_r$ are equal, move closer to each other under the light-load condition. Through this result, they generate a double poles and it can make the undesired boosting region due to the second order slope. Therefore, even though the switching frequency increases, the gain curve and output voltage increases continuously under the light-load condition.
In this study, the light-load regulation is achieved by changing the resonance tank to eliminate the influence of $C_{j,eq}$ which commonly observed under light-load condition. By adding an additional capacitor in parallel to the resonant inductor, the impedance is changed to achieve the reduced gain in the high frequency region. The proposed circuit can be controlled by the pulse frequency modulation, which is the conventional method and does not require the additional control method. In addition, the proposed converter has the same gain curve and performance as the conventional LLC resonant converter in normal frequency region, and has reduced gain curve in high frequency region to compensate the effect of $C_{j,eq}$. Because the additional elements of proposed converter are minimized and the additional losses are very small, the proposed converter achieves the light-load and no-load regulation while it maintains the high conversion efficiency. To verify the characteristics of proposed converter, 200 (W) prototype converter was designed and it can achieve no-load regulation which is less than 3% and higher efficiency under the light-load condition due to smaller switching losses. Up to date, the usage of LLC resonant converter has been limited due to the light-load regulation problem. However, with the proposed method, LLC resonant converter achieves the no-load regulation without any side effect. Therefore, LLC resonant converter with the proposed technique can be extended more to overall power electronics industry.
In this dissertation, a new topology and its design have been studied to improve the light-load efficiency and the performance of half-bridge typed DC/DC converter, which has simple structure and control. Since the proposed circuits can achieve the optimal design of each topology under nominal state, they are expected to be used widely in various applications that especially require the high reliability and conversion efficiency.
현대 사회는 정보의 바다, 정보가 지배하는 세상이라고 할 수 있다. 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 노트북, 태블릿 PC, 스마트폰 등 다양한 IT 제품들은 이제 현대 사회인들에게 없어서는 안될 필수품이 되어가고 있다. 이들은 최근 가장 급부상하고 있는 산업으로 모든 정보를 데이터화하여 이를 저장하고, 공유하고 있으며, 최근에는 사물 인터넷 (IOT) 등의 발달로 인하여 다양한 전자 제품들에서도 정보를 주고 받을 수 있게 되었다. 또한 온라인, 인터넷, IOT 등으로 인해 늘어난 데이터 처리량을 커버하기 위하여 서버 컴퓨터, 데이터 센터 등의 수요 역시 전 세계적으로 급격하게 늘어나고 있다.
이처럼 수많은 IT 제품들을 사용하기 위해서는 전기 에너지가 필수적이며, 이를 각각에 어플리케이션에 맞게 전기 에너지의 레벨을 변환하는 전력 변환 장치들이 필요하게 되었다. 즉, 이러한 전력 변환 장치들을 이용하여 휴대용 IT 제품 내부의 배터리를 충전하거나, 전력을 공급해주어야 하기 때문에, IT 제품 시장의 성장은 전력 변환 장치 시장의 시장의 성장을 나타낸다고 할 수 있다. 따라서 에너지를 절약하는 전원 공급 장치, 또는 IT 제품을 사용하기 위한 고효율의 배터리 충전 장치들에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.
이러한 전력 변환 장치 중, 전 세계적으로 데이터 처리량이 급속히 늘어남에 따라 이를 처리하기 위한 데이터 센터와 서버 컴퓨터에 전원을 공급해주는 서버용 전원 장치는 다양한 규제와 요구 조건을 만족하기 위하여 현존하는 최고 수준의 기술이 집합되어 있는 제품이다. 이 서버용 전원 장치를 기준으로 하여 최근 전원 공급 장치 분야에서의 트랜드를 살펴보면, 높은 전력 변환 효율과 고 전력 밀도를 요구하고 있으며, 특히, 경 부하에서의 효율과 성능 개선이 최근 전원 공급 장치 시장에서 가장 연구가 많이 진행되고 있는 분야이다. 실제로 80PLUS titanium level의 10% 효율 조건, 무 부하 동작 또는 standby mode로 동작하는 컨버터가 많아짐에 따라 경 부하에서의 요구 조건들 또한 많이 생겨나고 있다.
본 연구에서는 이러한 트랜드에 따라 하프 브릿지 구조를 가지는 DC/DC 컨버터를 이용하여 전원 공급 장치들의 경 부하 특성을 개선하고자 한다. 하프 브릿지 구조를 가지는 DC/DC 컨버터는 Active 소자의 수가 적어 제어가 제한적이며, 다른 토폴로지들에 비해 경 부하 효율이 매우 떨어진다는 단점을 가지고 있다. 그 중에서 스위칭 주파수를 고정적으로 사용하며 1차 측 스위치의 비대칭 적인 듀티를 이용하여 출력 전압을 레귤레이션 시켜주는 비대칭 하프 브릿지 컨버터를 이용하여 전 부하, 특히 경 부하에서의 효율 개선을 위한 연구를 제안한다. 또한 하프 브릿지 LLC 공진형 컨버터에서 경 부하 동작 시 발생하는 출력 전압 상승 문제를 보데 선도와 임피던스 점근선을 이용하여 분석하고, 이를 해결하는 회로를 제안한다.
Part 1. 비대칭 하프 브릿지 컨버터의 효율 개선을 위한 연구
비대칭 하프 브릿지 컨버터는 간단한 구조와 제어, 그리고 변압기를 최적으로 사용할 수 있는 Double-ended 타입의 정류단을 가져갈 수 있어 다양한 어플리케이션에서 적용되고 있는 토폴로지이다. 그 중 서버용 전원 장치에 적용되는 비대칭 하프 브릿지 컨버터는 데이터의 보호를 위하여 입력 AC라인이 끊긴 후 16~20 (ms) 동안 출력전압을 일정하게 유지시켜줘야 하는 Hold-up 요구 조건을 만족하기 위하여 넓은 입력 범위를 커버할 수 있도록 설계되어야 한다. 이로 인하여, 정상 입력 상태에서 큰 비대칭 동작을 가져가도록 설계되어야 하며, 이 때문에 전반적인 효율이 떨어지며, 특히 경 부하 시 효율이 급격하게 떨어지게 된다. 이를 개선하기 위하여 기존에는 넓은 영전압 스위칭이 가능하도록 추가 인덕터를 달아주는 방식이나 변압기에 발생하는 오프셋 전류를 없애주는 회로 등이 제안 되었다. 하지만 근본적으로 큰 비대칭 동작에 의하여 발생하는 효율 감소이기 때문에 본 연구에서는 정상 입력 상태에서 듀티를 0.5에 가깝게 사용할 수 있도록 하기 위하여 비대칭 하프 브릿지 컨버터의 추가 게인을 낼 수 있는 회로를 제안한다.
제안하는 컨버터는 기존 비대칭 하프 브릿지 컨버터에서 추가 인덕터와 클램프 다이오드를 가져가는 회로를 기본으로 하여 아래 쪽 클램프 다이오드를 스위치로 변경하고 변압기에 보조 권선을 감아 추가 인덕터에 직렬로 부착한다. 이를 통하여 정상 입력 상태에서 변압기의 보조 권선을 이용하여 추가 인덕터로 흐르는 전류를 줄여주고, 비대칭 하프 브릿지 컨버터의 최적 설계가 가능하도록 한다. 또한 Hold-up 동작 시엔 부족한 게인을 보충할 수 있도록 아래 쪽 스위치를 동작시켜 추가 인덕터로 흐르는 전류를 강제로 빌드 업 시켜 전류 패스의 변경을 통해 변압기의 턴 비를 바꾸어 준다. 이를 통하여 추가적인 게인을 얻을 수 있으며, 기존 비대칭 하프 브릿지 컨버터에 비하여 더 적은 도통 손실, 그리고 더 넓은 영전압 스위칭 범위를 가질 수 있어 전반적인 효율을 개선할 수 있다. 제안하는 컨버터는 500 (W)의 프로토타입을 통해 검증되었으며, 높은 전력 변환 효율을 얻으면서 Hold-up 요구 조건을 만족하는 것을 확인하였다.
Part 2. 하프 브릿지 LLC 공진형 컨버터의 경 부하 레귤레이션 문제를 해결하기 위한 연구
동작 주파수를 변경하여 출력 전압을 일정하게 레귤레이션 시켜주는 공진형 컨버터 중 하프 브릿지 LLC 공진형 컨버터는 높은 효율과 적은 소자 그리고 고주파 동작이 가능하다는 장점을 가지고 있어 최근 가장 많이 사용되고 있는 토폴로지이다. 하지만 이 LLC 공진형 컨버터의 경우, 경 부하 동작 시 출력전압이 상승하는 문제점을 가지고 있어 무 부하 동작, 또는 standby 동작이 잦은 어플리케이션에는 그 사용이 제한되고 있다.
LLC 공진형 컨버터에서 경 부하 시 출력 전압이 상승하게 되는 가장 큰 원인은 2차 측 정류단에 존재하는 다이오드의 Junction 커패시터이다. 해석을 위하여 보데 선도와 임피던스 점근선을 이용하여 LLC 공진형 컨버터의 AC equivalent 회로의 주파수 특성을 그려보면 고주파 영역에서 Rac와 sLr이 만나는 지점에서의 폴, Rac와 1/sCj,eq가 만나는 지점에서의 폴이 경 부하로 갈수록 가까워져 결국 더블 폴을 발생시키게 되고 이로 인하여 급격한 기울기 변화가 발생하여 원하지 않는 Boosting 영역이 발생하게 된다. 따라서 동작 주파수가 증가함에도 불구하고 게인이 상승되는 효과를 발생시켜 경 부하 시 출력전압이 계속해서 상승하게 된다.
본 연구에서는 경 부하 시 보이는 Cj,eq의 영향을 없애기 위하여, 공진 탱크를 변경하는 방법을 통해 경 부하 레귤레이션을 달성하고자 한다. 공진 인덕터에 병렬로 추가 커패시터를 부착하여 임피던스를 변경하여 고주파 부분에서 급격한 게인 감소를 이루어낸다. 제안하는 회로는 추가적인 제어 방법이 필요 없이, 기존 Pulse frequency modulation을 이용하여 정상 동작 시에는 기존 LLC 공진형 컨버터와 동일한 게인 곡선과 성능, 고주파 동작 시에는 게인을 급격하게 감소시켜 출력 전압 상승 효과를 억제한다. 제안하는 컨버터는 추가 소자를 최소한으로 가져가며, 추가적으로 발생하는 손실이 매우 적기 때문에 기존 LLC 공진형 컨버터의 높은 전력 변환 효율을 그대로 유지할 수 있으며, 경 부하 그리고 무 부하 레귤레이션을 달성할 수 있다. 제안하는 컨버터는 200 (W)의 프로토타입을 통해 검증되었으며, 3% 이내의 무 부하 레귤레이션 특성과 경 부하 시 동작 주파수를 줄임으로써 스위칭 손실을 줄여 더 높은 전력 변환 효율을 얻을 수 있었다. 따라서 제안하는 컨버터를 이용한다면 기존 레귤레이션 문제로 인해 사용이 제한되었던 LLC 공진형 컨버터를 좀 더 다양한 어플리케이션에 적용할 수 있을 것이라 기대한다.
본 논문에서는 간단한 구조와 제어를 가지는 하프 브릿지 타입의 DC/DC 컨버터의 경 부하 효율 및 성능을 향상하기 위한 새로운 토폴로지와 그 설계 대하여 연구하였다. 본 연구에서 제안되었던 회로들은 정상 상태에서 각각의 토폴로지의 최적 설계를 달성할 수 있기 때문에 다른 부작용이 없으며, 높은 신뢰성과 전력 변환 효율을 요구하는 다양한 전원 공급 장치 분야에 적용되어 널리 사용되어지길 기대한다.
