Up to the present, there have been a great deal of researches on the resonant power conversion schemes in the communication, aerospace, and industry applications due to the increasing demand for the higher power density. Further researches to the resonant power converters towards the markets of the power supply will be performed in the future. The higher switching frequency can provide the smaller volume and weight of the electromagnetic components of the converters. It is, therefore, required to increase the operating frequency to obtain the improved power density. Since the zero voltage switching or the zero current switching condition is used in the soft-switched resonant power converters, the switching losses are greatly reduced and the higher frequency operation becomes also available.
Among the SRC's, an SRC operating at resonant frequency named as a quantum SRC is recently introduced. This type of converter has many advantages such as the zero current switching, the wide control range, and the linear control characteristic like the conventional buck type PWM converters etc. Furthermore, the output filter can be effectively designed due to the constant switching frequency. The quantum boost and buck-boost operation can also be obtained by properly controlling the additional switch.
The numerous studies have been devoted to improve the control performance of the ZCS-SRC's. These studies are largely grouped into the integral cycle mode control and the nonperiodic integral cycle mode control technique. The integral cycle mode control technique is very simple to implement due to the fixed control cycle. However, there exist some inherent disadvantages such as the quantized output voltage level and the relatively large current ripple due to the discrete PWM. To effectively deal with these problems, the nonperiodic integral cycle mode control scheme employing the optimal predictive current control concept has been proposed. In this technique, the control action is done at every zero crossing instant of the resonant current. The performance improvements are, therefore, expected by employing this technique. However, this technique is mainly concerned with the current mode control, and only a few output voltage control techniques of the ZCS-SRC's have been reported.
In this thesis, the various output voltage control techniques are, therefore, investigated to improve the control performances of the ZCS-SRC's.
Firstly, a new discrete dynamic model is developed in the chapter II to obtain the analytical tool for the ZCS-SRC's. In the chapter II, an improved output voltage control technique of the buck ZCS-SRC employing the discrete time domain integral sliding mode control (ISMC) is proposed. With this technique, a near optimal output responses can be obtained in the sense of the minimum current ripple and the minimum output voltage variation due to the step load disturbance. This result is achieved by optimally using all the possible control inputs through the prediction procedure.
However, it is not easy to apply this technique directly to the boost and buck-boost ZCS-SRC's because they show the nonlinear output voltage dynamics. In this case, it is a well-known procedure that the nonlinear system is first linearized and the output voltage controller is, then, designed using the linearized model. There exist many linearization techniques such as the conventional small-signal approximation and the quasi-linear modeling method etc. However, they are very complex and the stability is not guaranteed if the system moves far from the operating point. Furthermore, the controller should be redesigned to maintain the desired output response if the operating point is changed. In some cases, the nonlinear output voltage controller is directly designed. This leads also the complicated design procedure. Some linearization techniques are, therefore, developed to simply design the output voltage controller and more exactly predict the output responses of the boost and buck-boost ZCS-SRC's.
The first approach to remove the nonlinearity existing in the output voltage dynamics of the boost and buck-boost ZCS-SRC's is performed by using the simple feedback linearization concept in the chapter IV. With this technique, the linear output voltage response in the large-signal sense is obtained. In contrast with the small-signal approach, there is no need to redesign the controller to maintain the desired response when the operating point is changed.
However, the effective series resistance of the inductor may seriously affect the control performance of the output voltage through the coupled switching state of the boosting switch in case of the low output voltage and high current applications. The sliding mode control becomes a very useful tool to solve this problem. Since this technique may increase the chattering, the control strategy should be carefully designed. In the ZCS-SRC, another simple control method can be found by examining its operating principle.
Therefore, the decoupled control techniques such as the state space averaging method (SSAM) and the resonant current control method (RCCM) are introduced in the chapter V. These techniques uses the operating mode fully. Based on the obtained linear models, the control range and the internal operating characteristics are analyzed in detail. The integral and proportional (IP) out voltage controller for SSAM and the output voltage controller employing a sliding mode for RCCM are also successfully implemented so that the usefulness of the linear models is verified. The RCCM shows the output voltage response more robust to the load variation than the SSAM. However, the flux imbalance problem of the isolation transformer is easily minimized by properly distributing the switching state of the boosting switch within its period in the SSAM. Consequently, the output voltage dynamics can be exactly linearized with the proposed control method. Furthermore, since the current control loop is completely decoupled from the output voltage control loop, the effective series resistance of the inductor does not affect the control performance of the output voltage.
It is expected that the proposed techniques in this thesis can also be widely applicable to the conventional PWM converters such as the Cuk, flyback, and buck-boost converter carrying two switches.
현재까지 높은 전력밀도를 갖는 전력변환기에 대한 수요가 증가하면서 통신이나 우주항공 및 산업응용분야 등에서 공진형 전력변환기에 대한 연구가 활발히 이루어져 왔다. 앞으로도 이와같은 공진형 전력변환기의 상업화에 대한 연구가 계속 이루어질 것으로 전망된다. 스위칭 주파수를 높이면 전력변환기의 자성소자 및 필터의 크기와 무게를 줄일 수 있으므로 보다 높은 전력밀도를 얻을 수 있다. 공진형 전력변환 방식을 이용하면 영전압이나 영전류 스위칭을 이용할 수 있어 스위칭 손실이 크게 줄고 보다 높은 주파수로 전력변환기를 구동할 수 있어 전력변환기의 소형, 경량화가 가능하다.
직렬 공진형 전력변환기는 잘 알려진 공진형 전력변환 방식으로 그 중에서 퀀텀 직렬공진형 전력변환기라고 하는 영전류 스위칭 직렬공진형 전력변환기가 소개된 바 있다. 이 전력변환기는 영전류 스위칭을 충분히 이용하므로 스위칭 손실이 거의 없고 제어범위가 넓으며 기존의 강압형 PWM 컨버터와 같은 선형제어특성을 보인다. 보조 스위치를 적절히 제어하면 승압 및 승강압 특성도 얻을 수 있다.
이와같은 영전류 스위칭 전력변환기의 성능을 개선하기 위해 많은 연구가 이루? }졌고 크게 주기적분방식과 비주기적분방식으로 나눌 수 있다. 주기적분방식은 일종의 양자화된 PWM 방식이므로 구현이 간단하지만 출력 전압 레벨이 양자화되고 상대적으로 출력의 리플이 크다는 단점이 있다. 이런 문제들을 극복하기 위해 제안된 것이 비주기적분방식으로 전력변환기의 동적 모델을 이용하여 공진반주기마다 영전류시에 제어를 수행하므로써 제어성능을 개선하였다. 그러나, 대부분의 비주기적분방식이 전류제어에 관한 것이고 전압제어에 관한 것은 극히 미미하다. 따라서, 본 논문에서는 영전류 스위칭 전력변환기의 출력전압 제어성능을 향상시키기위한 여러가지 출력전압 제어 방법이 연구되었다.
우선, 2장에서는 제어대상인 영전류 스위칭 직렬공진형 전력변환기에 대한 새로운 이산시간 영역에서의 동특성을 구하고 3장에서는 이산시간 영역에서의 슬라이딩 모드를 이용한 강압형의 전압제어를 제시하였다. 제안 된 제어방식은 다중제어루-프 방식으로 기존의 상태궤환방식보다 설계가 용이하며 예측기술을 도입하여 출력전류의 리플과 부하변동에 의한 출력전압의 변동을 최소화 하였다. 승압형과 승강압형의 경우는 출력전압이 비선형 동특성을 보이므로 이와같은 제어방식을 직접 적용하기가 어렵다. 이경우, 동작점 근처에서 시스템을 선형화한후 제어기를 설계하는 소신호 제어가 잘 알려진 방법이지만, 시스템이 동작점에서 멀어질 경우 안정성의 보장이 어렵고 일정한 제어특성을 얻으려면 동작점에 따라 제어기의 설계가 다시 이루어져야 된다는 단점이 있다. 그러므로, 출력전압 제어기의 설계를 쉽게하고 전체 제어 영역에서 일정한 전압제어특성을 얻기위해 새로운 선형화 방식이 연구되었다.
4장에서 시도된 방법은 간단한 궤환선형화에 의해 출력전압의 동특성에 존재하는 비선형 요소를 제거하는 것으로 전체 영역에서화된 출력전압응답을 얻을 수 있고 소신호 재어방식과는 달리 동작점이 변해도 일정한 전압특성을 얻기위해 제어기를 다시 설계할 필요가 없다. 그러나, 이런 접근 방식은 출력전압이 낮고 출력전류가 큰 경우에는 인덕터의 직렬저항성분에 영향을 크게 받는 단점이 있다. 앞서 3장에서 제시된 슬라이딩 모드를 이용하면 이런 문제를 해결할 수 있지만 출력리플이 증가할 수 있으므로 설계시 세심한 주의가 요망된다.
한편, 영전류 스위칭 전력변환기의 동작원리를 주의 깊게 관찰하면 또다른 간단한 선형화 방법을 발견할 수 있다. 따라서, 5장에서는 모든 제어입력을 독립적으로 이용하고 상태공간 평균화와 공진전류 제어에 의해 출력전압의 동특성에 존재하는 비선형 요소를 제거하는 방법이 해석적으로 제시되었다. 상태공간 평균화 기법을 이용한 경우에는 절연트랜스의 플럭스 포화 문제를 보다 쉽게 다룰 수 있고 공진전류를 제어하는 경우에는 부하변동에 강인한 제어특성을 얻을 수 있다. 또한, 전류제어와 전압제어루-프가 분리되므로 인덕터의 직렬저항에 의한 영향도 받지 않는다.
제시된 방법들은 컴퓨터 시뮬레이션과 부분적인 실험을 통해 그 유용성이 입증되었고 본 논문에서 제안된 선형화와 슬라이딩 모드를 이용한 제어방식은 기존의 PWM 컨버터나 두 개의 스위치로 이루어진 승강압형 전력변환기에도 널리 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
