Power systems are one of the most important parts in power systems because they transfer the operating power to the electric devices. In those power systems, there have been continual demands for high efficiency. Moreover, since a standard of efficiency is continuously increased, the needs to study for high efficiency are also grown. On the other hand, power systems normally consists of three stages: 1) a bridge diode to converter AC input voltage to DC voltage, 2) a power factor correction stage to satisfy the power factor requirements from IEC 61000-3-2 and ENERGY STAR, and 3) DC/Dc stage to regulate the required output voltage and to ensure the galvanic isolation. Due to the large conduction loss of bridge diode and the large switching losses by the hard-switching operation in PFC stage, the efficiency improvement of power systems is restricted.
In this dissertation, among the attractive candidates of the bridgeless converter, which is employed for a reduction of the conduction loss on bridge diode, the soft-switching methods for two promising bridgeless converters, the dual boost rectifier and totem-pole bridgeless converter, are investigated to obtain high efficiency of power systems.
This research is divided into two parts according to the conventional bridgeless topologies as follows:
*Part 1. Dual Boost Rectifier Having Soft Switching Capability
In this part, a bridgeless dual boost rectifier having soft-switching capability is proposed to reduce switching losses. In the proposed converter, based on the conventional bridgeless dual boost rectifier, an auxiliary circuit is employed to perform zero-voltage-switching (ZVS) of the main switches and zero-current-switching (ZCS) of the auxiliary switches. As a result, switching losses can be significantly reduced. In addition, the design guideline for the optimized turn-on time of the auxiliary switches is presented to minimize the additional conduction loss in the auxiliary circuit. The validity of the proposed converter is confirmed by the experimental results of a prototype converter with 100-240 $V_{AC}$ universal-line input and 800 W (400 V/2 A) output.
*Part 2. Soft Switching Totem-pole Bridgeless Rectifier by Merging Inrush Current Limit Circuit
In this part, a totem-pole bridgeless rectifier having soft-switching capability is proposed. To complete ZVS of main switches, the proposed converter is re-arranging the inrush current limit circuit, which is basically applied to satisfy the inrush current limit requirement. It results that switching losses in the proposed converter can be significantly reduced, and the additional components for soft-switching operation are also minimized. Moreover, to reduce the circulating current in the auxiliary circuit, the design guideline for turning-on time of the auxiliary switches is also presented. The verification of the proposed converter is proceeded by the experimental results of a prototype converter with 100-240 $V_{AC}$ universal-line input and 800 W (400 V/2 A) output.
Consequently, this dissertation studied for the soft-switching methods of two promising bridgeless converter to achieve high efficiency of power systems. Moreover, the additional components and cost are minimized, and the additional conduction loss is also analyzed with the design guideline. Therefore, the proposed converter is expected to be very attractive solutions for a high efficiency of various power system.
전원 장치는 여러 가지 전자 기기에 필수적으로 사용되는 가장 중요한 구성 장치이다. 이러한 전원 장치에서 높은 효율은 환경문제의 완화나 유지비 절감 등을 이유로 지속적으로 요구 되어 왔으며, 그 요구되는 효율 수준이 점점 높아지고 있음에 따라 전원 장치의 고효율 달성을 위한 연구의 필요성 또한 지속적으로 증가되고 있다. 한편, 일반적으로 전원 장치는 3개의 단으로 구성이 되어있다. 입력되는 단상 전압을 DC 전압으로 변경하기 위한 브리지 다이오드 단, 75W 이상의 모든 전원 장치에는 고조파 규제를 만족하기 위한 역률 보상 단, 그리고 전자 기기가 요구하는 정확한 출력 전압을 만족하기 위한 DC/DC 단으로 구성이 되어 있다. 하지만, 브리지 다이오드 단의 큰 도통 손실과 소프트 스위칭 동작을 하는 DC/DC단과는 다르게 하드 스위칭 동작을 하는 역률 보상 단의 큰 스위칭 손실은 최근 요구되는 고효율 달성의 제한 사항이 된다.
그러므로 본 학위논문에서는 고효율 전원 장치를 위해, 브리지 다이오드의 큰 도통 손실을 감소하기 위한 브리지리스 컨버터를 바탕으로, 하드 스위칭 동작으로 발생하는 큰 스위칭 손실 감소를 위한 방법에 대해서 연구를 진행하였다. 그리고 여러 가지 브리지리스 컨버터 중 가장 널리 사용되는 두 가지 방식인 듀얼 부스트 정류기와 토템폴 브리지리스 컨버터에서 스위칭 손실 감소를 위한 소프트 스위칭 방법을 각각 제안하였다.
따라서, 본 연구는 적용된 기본 브리지리스 토폴로지에 따라 다음과 같이 두 개의 부분으로 구성되어 있다.
Part 1. 소프트 스위칭 기법을 적용한 듀얼 부스트 정류기
이번 장에서는 브리지리스 컨버터의 한 종류인 듀얼 부스트 정류기에 소프트 스위칭 기법을 적용하는 방법에 대해 제안하였다. 기존 브리지리스 듀얼 부스트 정류기를 바탕으로, 보조 회로를 적용하여, 주 스위치의 영-전압-스위칭과 추가된 보조 스위치의 영-전류-스위칭을 달성하였다. 결과적으로, 제안 방식에서는 기존 듀얼 부스트 정류기에서 발생한 스위칭 손실을 크게 감소할 수 있었다. 또한, 추가 회로에서 발생하는 손실을 최소화하기 위한 설계 방안을 제시하여 효율 상승 효과를 극대화하였다. 그리고 제안된 방식은 100-240 $V_{AC}$ 입력 전압 및 800 W의 출력 전력을 가지는 프로토 타입을 제작하여 검증되었다.
*Part 2. 돌입 전류 제한 회로를 통합한 소프트 스위칭 토템폴 브리지리스 정류기
이번 장에서는 소프트 스위칭 능력을 가진 토템폴 브리지리스 컨버터를 제안하였다. 주 스위치의 영-전압-스위칭을 달성을 위해, 기존에 전원장치에 필수적으로 적용되어 있는 돌입 전류 제한 회로를 통합하여 소프트 스위칭이 가능한 토템폴 브리지리스 컨버터를 제안하였다. 이로 인해, 스위칭 손실 감소를 통해 높을 효율을 달성 할 수 있었으며, 기존 적용된 회로와의 통합으로 추가되는 부품 또한 최소화할 수 있었다. 또한, 보조 회로의 추가 손실을 최소화하기 위한 설계 방안 또한 함께 제시되었다. 결과적으로, 제안된 컨버터는 기존 컨버터와 비교하여 스위칭 손실 및 보조 회로의 추가 손실을 크게 감소할 수 있었으며, 100-240 $V_{AC}$ 입력 전압 및 800 W 최대 출력 전력을 가진 프로토 타입을 제작하여 그 효용성을 검증하였다.
본 연구에서는 가장 많이 사용되는 두 종류의 브리지리스 컨버터를 바탕으로 스위칭 손실 감소를 위한 소프트 스위칭 기법을 제안하였다. 그리고 제안된 연구는 추가되는 소자의 부품 수 및 가격을 최소화 시켰으며, 추가되는 손실을 최소화하기 위한 디자인 방법 또한 함께 제시하였다. 그래서 제안된 방식은 높은 효율이 요구되는 다양한 종류의 전원 장치에 적용 가능하다.