최근 모바일 디바이스의 지속적인 소형화 추세에 따라 이러한 장치의 배터리를 충전하기 위한 휴대용 어댑터의 고전력밀도화가 중요시 되고 있다. 또한, 휴대용 어댑터의 경우, 각 소자에서의 발열 및 어댑터의 크기가 중요한 요소이며, 적은 손실에도 소자에서의 발열은 크게 나타날 수 있기 때문에 이로 인한 방열 시스템 구축은 어댑터의 사이즈에 크게 영향을 미칠 수 있다. 이를 위해 스위치 손실을 저감하여 발열을 최소화하고, 고주파수 구동을 통해 전력변환 ...
최근 모바일 디바이스의 지속적인 소형화 추세에 따라 이러한 장치의 배터리를 충전하기 위한 휴대용 어댑터의 고전력밀도화가 중요시 되고 있다. 또한, 휴대용 어댑터의 경우, 각 소자에서의 발열 및 어댑터의 크기가 중요한 요소이며, 적은 손실에도 소자에서의 발열은 크게 나타날 수 있기 때문에 이로 인한 방열 시스템 구축은 어댑터의 사이즈에 크게 영향을 미칠 수 있다. 이를 위해 스위치 손실을 저감하여 발열을 최소화하고, 고주파수 구동을 통해 전력변환 컨버터 내에서 가장 큰 부피를 차지하는 리액티브 소자의 사이즈를 최소화 시켜야한다. 기존 휴대용 어댑터는 소자 수가 적고 회로 구조가 간단한 플라이백 컨버터를 주로 사용하였다. 그러나 일반적인 플라이백 컨버터는 하드 스위칭 동작으로 인해 스위칭 손실이 크게 발생하여 고주파수 구동이 제한적이다. 이를 보완하기 위한 Quasi-resonant 플라이백 컨버터는 스위치 양단전압이 가장 낮은 valley지점에서 스위치가 턴 온 되는 특징을 가지고 있지만 여전히 하드 스위칭 동작으로 인해 스위칭 손실이 발생하여 고주파수 구동이 제한적이며, 회로 구조 역시 일반적인 플라이백 컨버터와 동일하여 스위치 턴 오프 시 발생하는 ringing성분으로 인해 발생하는 손실이 큰 스너버가 불가피하여 고전력밀도화 달성이 어렵다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 경계전류모드 액티브 클램프 플라이백 컨버터를 적용한다. 액티브 클램프 회로의 경우, 클램프 회로 적용 및 누설 인덕턴스 에너지를 입력 측으로 회귀시켜줌으로써 영전압 스위칭 동작이 가능함과 동시에, 경계전류모드에서 동작시켜 경부하에서도 자화 인덕터에 의해 영전압 스위칭이 가능하여 스위칭 손실을 저감시킨다. 또한, 스위칭 특성이 우수한 GaN-FET를 적용함으로써 스위칭 손실을 더욱 저감하여 소자에서의 발열을 최소화하고, 고주파수 구동을 통해 리액티브 소자의 체적을 저감할 수 있다. 추가적으로, 이론적 분석을 바탕으로 최적 설계를 통해 다양한 권선법으로 트랜스포머를 제작하여 비교분석을 통한 최적의 자성체를 선정함으로써 제안회로의 효율을 극대화할 수 있다. 이러한 특징을 바탕으로 휴대용 어댑터의 고효율 및 고전력밀도화 구현이 가능하다. 따라서 본 논문에서는 제안회로의 우수성과 최적 설계의 타당성을 검증하기 위해 모의실험 및 65W급 시작품을 제작하여 고찰된 실험결과를 제시한다.
최근 모바일 디바이스의 지속적인 소형화 추세에 따라 이러한 장치의 배터리를 충전하기 위한 휴대용 어댑터의 고전력밀도화가 중요시 되고 있다. 또한, 휴대용 어댑터의 경우, 각 소자에서의 발열 및 어댑터의 크기가 중요한 요소이며, 적은 손실에도 소자에서의 발열은 크게 나타날 수 있기 때문에 이로 인한 방열 시스템 구축은 어댑터의 사이즈에 크게 영향을 미칠 수 있다. 이를 위해 스위치 손실을 저감하여 발열을 최소화하고, 고주파수 구동을 통해 전력변환 컨버터 내에서 가장 큰 부피를 차지하는 리액티브 소자의 사이즈를 최소화 시켜야한다. 기존 휴대용 어댑터는 소자 수가 적고 회로 구조가 간단한 플라이백 컨버터를 주로 사용하였다. 그러나 일반적인 플라이백 컨버터는 하드 스위칭 동작으로 인해 스위칭 손실이 크게 발생하여 고주파수 구동이 제한적이다. 이를 보완하기 위한 Quasi-resonant 플라이백 컨버터는 스위치 양단전압이 가장 낮은 valley지점에서 스위치가 턴 온 되는 특징을 가지고 있지만 여전히 하드 스위칭 동작으로 인해 스위칭 손실이 발생하여 고주파수 구동이 제한적이며, 회로 구조 역시 일반적인 플라이백 컨버터와 동일하여 스위치 턴 오프 시 발생하는 ringing성분으로 인해 발생하는 손실이 큰 스너버가 불가피하여 고전력밀도화 달성이 어렵다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 경계전류모드 액티브 클램프 플라이백 컨버터를 적용한다. 액티브 클램프 회로의 경우, 클램프 회로 적용 및 누설 인덕턴스 에너지를 입력 측으로 회귀시켜줌으로써 영전압 스위칭 동작이 가능함과 동시에, 경계전류모드에서 동작시켜 경부하에서도 자화 인덕터에 의해 영전압 스위칭이 가능하여 스위칭 손실을 저감시킨다. 또한, 스위칭 특성이 우수한 GaN-FET를 적용함으로써 스위칭 손실을 더욱 저감하여 소자에서의 발열을 최소화하고, 고주파수 구동을 통해 리액티브 소자의 체적을 저감할 수 있다. 추가적으로, 이론적 분석을 바탕으로 최적 설계를 통해 다양한 권선법으로 트랜스포머를 제작하여 비교분석을 통한 최적의 자성체를 선정함으로써 제안회로의 효율을 극대화할 수 있다. 이러한 특징을 바탕으로 휴대용 어댑터의 고효율 및 고전력밀도화 구현이 가능하다. 따라서 본 논문에서는 제안회로의 우수성과 최적 설계의 타당성을 검증하기 위해 모의실험 및 65W급 시작품을 제작하여 고찰된 실험결과를 제시한다.
Recent trends in portable adapters emphasize the importance of high efficiency and high power density of adapters through the design of high frequency power converters. In order to achieve high power density of the portable adapter, the size of the reactive element must be minimized, and high-freque...
Recent trends in portable adapters emphasize the importance of high efficiency and high power density of adapters through the design of high frequency power converters. In order to achieve high power density of the portable adapter, the size of the reactive element must be minimized, and high-frequency driving is essential to reduce the size it. Conventional portable adapters mainly use a flyback converter with a small number of elements and a simple circuit structure. However, among the converters mainly used in adapters, Conventional flyback converter and Quasi-Resonant(QR) flyback converter have a high switching loss due to the hard switching operation, thus limiting high frequency driving. On the other hand, the Active Clamp Flyback(ACF) converter can reduce switching losses because it can achieve Zero Voltage Switching(ZVS) operation by circulating the leakage inductance energy to the input side and operating the operation mode with the Boundary Conduction Mode(BCM). Also, the switching loss is further reduced by applying a Gallium Nitride Field Effect Transistor(GaN-FET) having excellent switching characteristics. Based on loss analysis and optimal design, high efficiency can be achieved through high frequency driving. Also, transformers of various winding techniques can be manufactured, and the volume of the magnetic body can be optimized through comparative analysis to achieve a high power density. To verify the validity of the theoretical analysis, experimental results are presented through simulation and 65W-rated prototypes.
Recent trends in portable adapters emphasize the importance of high efficiency and high power density of adapters through the design of high frequency power converters. In order to achieve high power density of the portable adapter, the size of the reactive element must be minimized, and high-frequency driving is essential to reduce the size it. Conventional portable adapters mainly use a flyback converter with a small number of elements and a simple circuit structure. However, among the converters mainly used in adapters, Conventional flyback converter and Quasi-Resonant(QR) flyback converter have a high switching loss due to the hard switching operation, thus limiting high frequency driving. On the other hand, the Active Clamp Flyback(ACF) converter can reduce switching losses because it can achieve Zero Voltage Switching(ZVS) operation by circulating the leakage inductance energy to the input side and operating the operation mode with the Boundary Conduction Mode(BCM). Also, the switching loss is further reduced by applying a Gallium Nitride Field Effect Transistor(GaN-FET) having excellent switching characteristics. Based on loss analysis and optimal design, high efficiency can be achieved through high frequency driving. Also, transformers of various winding techniques can be manufactured, and the volume of the magnetic body can be optimized through comparative analysis to achieve a high power density. To verify the validity of the theoretical analysis, experimental results are presented through simulation and 65W-rated prototypes.
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