최근 고효율 및 고 전력밀도전원공급장치가 제품의 핵심기술로 부상하며, 전원장치의 고효율 및 고 전력밀도 달성을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 이를 위해 최근에는 전원장치를 구성하는 절연형 DC/DC 컨버터로 다른 토폴로지에 비해 소자의 개수가 적고 구성이 간단하며, 턴 온 시 영전압스위칭(Zero Voltage Switching; ZVS)이 가능한 하프 ...
최근 고효율 및 고 전력밀도전원공급장치가 제품의 핵심기술로 부상하며, 전원장치의 고효율 및 고 전력밀도 달성을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 이를 위해 최근에는 전원장치를 구성하는 절연형 DC/DC 컨버터로 다른 토폴로지에 비해 소자의 개수가 적고 구성이 간단하며, 턴 온 시 영전압스위칭(Zero Voltage Switching; ZVS)이 가능한 하프 브리지LLC 공진형 컨버터(Half bridge LLC resonant converter; LLC 컨버터)가 널리 사용되고 있다. 이러한 전원공급장치의 고 전력밀도 달성 방안으로는 고주파수 구동을 들 수 있다. 그러나 스위칭 손실은 리액티브 소자 사이즈를 저감할 수 있는 고주파수 구동에 한계가 된다. 전류임계모드(Boundary Conduction Mode)로 동작하는 PFC 컨버터와 LLC 컨버터는 턴 오프 시 스위치 양단전압과 전류의 중첩으로 발생하는 턴 오프 손실이 있으며, 이는 스위치의 심각한 발열 및 효율 저하를 발생시킨다. 그러므로 리액티브 소자 사이즈 저감을 통한 고 전력밀도화 및 소형화에 한계를 갖는다. 스위칭 손실을 저감하기 위해 고성능의 차세대 반도체 소자인 GaN-FET(Gallium-Nitride) 적용을 통해 고주파 구동이 가능하지만, 낮은 게이트 드라이빙 전압으로 인한 동작 불안성 및 높은 가격으로 실 사용에 어려움을 겪고 있다. 따라서 본 논문에서는 LLC 컨버터와 PFC 컨버터의 고 전력밀도 달성을 위해, 스위칭 소자를 직렬로 연결하여 스위치 내압 저감을 통한 스위칭 손실을 저감 및 고주파 구동이 가능한 3레벨 컨버터를 제안한다. 첫 번째 제안 회로는 전압 및 전류 밸런싱이 모두 가능한 LLC 컨버터로써 LLC 컨버터의 리액티브 소자 사이즈 저감 방안으로 고주파수 구동을 선정하였으며, 고주파수 구동 시 한계가 되는 스위칭 손실을 저감 시키는 회로를 제안하였다. 스위칭 손실은 스위치 전압 스트레스 저감을 통해 저감 가능하며 이는 4개 스위치의 직렬연결로 저감 가능할 수 있다. 이때, 모든 스위치의 전압 평형을 보장하기 위한 추가 회로는 필수적이다. 따라서, 제안 회로는 오직 하나의 커패시터만으로 모든 스위치의 전압 평형을 보장해줌으로써 스위치 손실 저감을 통해 고주파수 구동이 가능하다. 뿐만 아니라, 일반적인 LLC 공진형 컨버터에 밸런싱 커패시터를 포함하는 기본 모듈의 추가만으로 n-모듈 LLC 공진형 컨버터로 확장에 용이한 구조적 특성을 갖는다. 따라서 기본 모듈의 추가로 스위치의 전압 스트레스를 Vin/n으로 더욱 저감 가능하다. 또한, 본 제안 회로는 두 개의 공진탱크로 구성되어 있으므로 각 공진탱크의 전류 평형이 필수적이다. 제안 회로는 각 공진탱크의 공진인덕터를 Integrated magnetic 기법을 통해, 각 소자의 편차가 존재하더라도 각 공진 탱크의 전류평형을 보장해준다. 제안 회로의 타당성 검증을 위하여 회로를 이론적으로 분석하고 350W급 시작품을 제작하여 실험결과를 제시하였다. 두 번째 제안 회로는 전압 밸런싱 PFC 컨버터로써 컨버터로써 PFC 컨버터의 입력 인덕터 사이즈 저감 방안으로 고주파수 구동을 선정하였으며, 고주파수 구동 시 한계가 되는 스위칭 손실을 저감 시키는 회로를 제안하였다. 스위칭 손실은 스위치 전압 스트레스 저감을 통해 저감 가능하며 이는 2개 스위치의 직렬연결로 저감 가능할 수 있다. 이때, 모든 스위치의 전압 평형을 보장하기 위한 추가 회로는 필수적이다. 따라서, 제안 회로는 오직 하나의 커패시터와 밸런싱 다이오드만으로 모든 스위칭 소자의 전압 평형을 보장해줌으로써 스위치 손실 저감을 통해 고주파수 구동이 가능하다. 뿐만 아니라, 앞서 제안된 LLC 공진형 컨버터와의 결합을 통해 전체 아답터 시스템의 고주파수 구동이 가능하다. 제안 회로의 타당성 검증을 위하여 회로를 이론적으로 분석하고 250W급 시작품을 제작하여 실험결과를 제시하였다.
최근 고효율 및 고 전력밀도 전원공급장치가 제품의 핵심기술로 부상하며, 전원장치의 고효율 및 고 전력밀도 달성을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 이를 위해 최근에는 전원장치를 구성하는 절연형 DC/DC 컨버터로 다른 토폴로지에 비해 소자의 개수가 적고 구성이 간단하며, 턴 온 시 영전압스위칭(Zero Voltage Switching; ZVS)이 가능한 하프 브리지 LLC 공진형 컨버터(Half bridge LLC resonant converter; LLC 컨버터)가 널리 사용되고 있다. 이러한 전원공급장치의 고 전력밀도 달성 방안으로는 고주파수 구동을 들 수 있다. 그러나 스위칭 손실은 리액티브 소자 사이즈를 저감할 수 있는 고주파수 구동에 한계가 된다. 전류임계모드(Boundary Conduction Mode)로 동작하는 PFC 컨버터와 LLC 컨버터는 턴 오프 시 스위치 양단전압과 전류의 중첩으로 발생하는 턴 오프 손실이 있으며, 이는 스위치의 심각한 발열 및 효율 저하를 발생시킨다. 그러므로 리액티브 소자 사이즈 저감을 통한 고 전력밀도화 및 소형화에 한계를 갖는다. 스위칭 손실을 저감하기 위해 고성능의 차세대 반도체 소자인 GaN-FET(Gallium-Nitride) 적용을 통해 고주파 구동이 가능하지만, 낮은 게이트 드라이빙 전압으로 인한 동작 불안성 및 높은 가격으로 실 사용에 어려움을 겪고 있다. 따라서 본 논문에서는 LLC 컨버터와 PFC 컨버터의 고 전력밀도 달성을 위해, 스위칭 소자를 직렬로 연결하여 스위치 내압 저감을 통한 스위칭 손실을 저감 및 고주파 구동이 가능한 3레벨 컨버터를 제안한다. 첫 번째 제안 회로는 전압 및 전류 밸런싱이 모두 가능한 LLC 컨버터로써 LLC 컨버터의 리액티브 소자 사이즈 저감 방안으로 고주파수 구동을 선정하였으며, 고주파수 구동 시 한계가 되는 스위칭 손실을 저감 시키는 회로를 제안하였다. 스위칭 손실은 스위치 전압 스트레스 저감을 통해 저감 가능하며 이는 4개 스위치의 직렬연결로 저감 가능할 수 있다. 이때, 모든 스위치의 전압 평형을 보장하기 위한 추가 회로는 필수적이다. 따라서, 제안 회로는 오직 하나의 커패시터만으로 모든 스위치의 전압 평형을 보장해줌으로써 스위치 손실 저감을 통해 고주파수 구동이 가능하다. 뿐만 아니라, 일반적인 LLC 공진형 컨버터에 밸런싱 커패시터를 포함하는 기본 모듈의 추가만으로 n-모듈 LLC 공진형 컨버터로 확장에 용이한 구조적 특성을 갖는다. 따라서 기본 모듈의 추가로 스위치의 전압 스트레스를 Vin/n으로 더욱 저감 가능하다. 또한, 본 제안 회로는 두 개의 공진탱크로 구성되어 있으므로 각 공진탱크의 전류 평형이 필수적이다. 제안 회로는 각 공진탱크의 공진인덕터를 Integrated magnetic 기법을 통해, 각 소자의 편차가 존재하더라도 각 공진 탱크의 전류평형을 보장해준다. 제안 회로의 타당성 검증을 위하여 회로를 이론적으로 분석하고 350W급 시작품을 제작하여 실험결과를 제시하였다. 두 번째 제안 회로는 전압 밸런싱 PFC 컨버터로써 컨버터로써 PFC 컨버터의 입력 인덕터 사이즈 저감 방안으로 고주파수 구동을 선정하였으며, 고주파수 구동 시 한계가 되는 스위칭 손실을 저감 시키는 회로를 제안하였다. 스위칭 손실은 스위치 전압 스트레스 저감을 통해 저감 가능하며 이는 2개 스위치의 직렬연결로 저감 가능할 수 있다. 이때, 모든 스위치의 전압 평형을 보장하기 위한 추가 회로는 필수적이다. 따라서, 제안 회로는 오직 하나의 커패시터와 밸런싱 다이오드만으로 모든 스위칭 소자의 전압 평형을 보장해줌으로써 스위치 손실 저감을 통해 고주파수 구동이 가능하다. 뿐만 아니라, 앞서 제안된 LLC 공진형 컨버터와의 결합을 통해 전체 아답터 시스템의 고주파수 구동이 가능하다. 제안 회로의 타당성 검증을 위하여 회로를 이론적으로 분석하고 250W급 시작품을 제작하여 실험결과를 제시하였다.
In order to reduce the size of the converter, the high-frequency operation is required to reduce the size of magnetic components such as inductors and transformers. However, as it causes high switching losses, the three-level (TL) method is adopted to reduce the switching loss by decreasing the volt...
In order to reduce the size of the converter, the high-frequency operation is required to reduce the size of magnetic components such as inductors and transformers. However, as it causes high switching losses, the three-level (TL) method is adopted to reduce the switching loss by decreasing the voltage stress of the switches. The TL method is that the switching components are arranged in series. It can reduce the voltage stress of the switching components in half, compared to that of the switches in conventional converters. Therefore, the turn-off loss, caused by the reduced voltage across the switches, can be decreased. Besides, the converters with the TL method can be applied to the high-performance switches, which have a lower breakdown voltage. In this paper, the TL method is applied to the LLC resonant converter and PFC converter, and their superior performance can be verified by comparing the switch losses. However, the simply arranged switches cannot ensure the voltage stress equally due to the tolerance of the main parameter, duty ratio, capacitance, and inductance. This work proposes a voltage balance and current balance principle of the TL LLC resonant converter and voltage balance principle of the TL PFC converter. In the case of the TL method for the TL LLC converter, it structurally consists of the two resonant tanks; two resonant inductors and two transformers, and then they are integrated into single inductor core and single transformer core. Therefore, voltage balance and current balanced are simultaneously required to ensure the voltage stress of the switches as half of input voltage and the balance of each resonant current. First, the voltage balance can be achieved by the single balancing capacitor, which is connected to each resonant tank. It can ensure all voltage stress of the switches as half of the input voltage, and that of the resonant capacitors as a quarter of the input voltage. Second, the current balance can be obtained with a single integrated-coupled inductor. It can guarantee that the difference of each resonant current is minimized to near zero. In the case of the TL method for the TL PFC converter, it structurally consists of two switches and two output diodes. Therefore, the voltage stress of the switching components can be guaranteed as half of the output voltage. The single balancing capacitor and diodes can guarantee the voltage balance without any additional digital control strategy or active components. In this dissertation, the design consideration of each balancing component is given. Additionally, the resonant tank and switching frequency of TL LLC and the input inductance and switching frequency of TL PFC for the highest efficiency are suggested as the optimization design based on the loss comparison. The TL LLC resonant converter tests are conducted with the various output load conditions, and the TL PFC converter tests are carried out under various load condition and input voltage. Those results indicate that the selected parameters can produce the highest efficiency. Experimental results show that the voltage balance of each switching components can be achieved in both converter and the current balance of each resonant inductor can be obtained in the TL LLC converter. System PSIM simulation are made and the results are provided the test results have good agreements with system simulation results, and the balance principled performs as expected.
In order to reduce the size of the converter, the high-frequency operation is required to reduce the size of magnetic components such as inductors and transformers. However, as it causes high switching losses, the three-level (TL) method is adopted to reduce the switching loss by decreasing the voltage stress of the switches. The TL method is that the switching components are arranged in series. It can reduce the voltage stress of the switching components in half, compared to that of the switches in conventional converters. Therefore, the turn-off loss, caused by the reduced voltage across the switches, can be decreased. Besides, the converters with the TL method can be applied to the high-performance switches, which have a lower breakdown voltage. In this paper, the TL method is applied to the LLC resonant converter and PFC converter, and their superior performance can be verified by comparing the switch losses. However, the simply arranged switches cannot ensure the voltage stress equally due to the tolerance of the main parameter, duty ratio, capacitance, and inductance. This work proposes a voltage balance and current balance principle of the TL LLC resonant converter and voltage balance principle of the TL PFC converter. In the case of the TL method for the TL LLC converter, it structurally consists of the two resonant tanks; two resonant inductors and two transformers, and then they are integrated into single inductor core and single transformer core. Therefore, voltage balance and current balanced are simultaneously required to ensure the voltage stress of the switches as half of input voltage and the balance of each resonant current. First, the voltage balance can be achieved by the single balancing capacitor, which is connected to each resonant tank. It can ensure all voltage stress of the switches as half of the input voltage, and that of the resonant capacitors as a quarter of the input voltage. Second, the current balance can be obtained with a single integrated-coupled inductor. It can guarantee that the difference of each resonant current is minimized to near zero. In the case of the TL method for the TL PFC converter, it structurally consists of two switches and two output diodes. Therefore, the voltage stress of the switching components can be guaranteed as half of the output voltage. The single balancing capacitor and diodes can guarantee the voltage balance without any additional digital control strategy or active components. In this dissertation, the design consideration of each balancing component is given. Additionally, the resonant tank and switching frequency of TL LLC and the input inductance and switching frequency of TL PFC for the highest efficiency are suggested as the optimization design based on the loss comparison. The TL LLC resonant converter tests are conducted with the various output load conditions, and the TL PFC converter tests are carried out under various load condition and input voltage. Those results indicate that the selected parameters can produce the highest efficiency. Experimental results show that the voltage balance of each switching components can be achieved in both converter and the current balance of each resonant inductor can be obtained in the TL LLC converter. System PSIM simulation are made and the results are provided the test results have good agreements with system simulation results, and the balance principled performs as expected.
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