[논문]효율개선을 위한 Push-Pull Converter의 동기정류에 관한 연구

김영규; 김동중; 김이훈; 원충연; 김규식; 최세완

효율개선을 위한 Push-Pull Converter의 동기정류에 관한 연구
A Study on Synchronous Rectification of Push-Pull Converter for Efficiency Improvement 원문보기

본 논문은 DC/DC 컨버터의 효율을 개선하기 위해 동기정류방식을 제시하였다. 제안된 동기정류 방식은 single winding self-driven synchronous rectification(SWSDSR)로서 1차측은 Push-Pull topology를 사용하였다. 특히 이 방식은 데드타임구간에도 동기정류 스위치를 온 시켜서 효율을 개선 할 수 있다. 최종적인 시뮬레이션과 실험 결과는 자기구동 동기정류(SDSR) 방식과 보조권선을 이용한 자기구동 동기정류(SWSDSR) 방식의 효율에 관한 비교와 해석을 보여준다.

This paper presents a method of synchronous rectifier(SR) for improving the efficiency in DC/DC converter. The proposed method is used push-pull topology on primary as a single winding self driven synchronous rectification(SWSDSR). Specially, this method can improve efficiency to turn on SR switch during dead time. Finally, the simulation and experimental results will be given to show comparison and analysis on the efficiency between self driven synchronous rectification(SDSR) and SWSDSR method.

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문제 정의

본 논문에서는 DC 27[V]의 입력 전원과 5[V]/ 30[A] 출력을 가지는 Push-Pull 컨버터의 정류부에 보조권선 을 이용한 자기구동 동기정류방식으로 정류부 손실을 줄이고 효율을 개선하여 언급한 3가지 방식과 비교하고 검토하였다.

제안 방법

대표적인 동기정류 방식 중 별도의 구동회로가 필요 없는 자기 구동 동기정류(SDSR) 방식과 보조 권선을 이용하여 게이트 신호를 인가하는 자기 구동 동기정류 방 식 (SWSDSR)을 Push-Pull 토폴로지에 적용하여 효율에 대한 이론적 분석과 실험 결과로부터 타당성을 검증하고자 한다.回削a
본 논문은 4가지 정류방식에 대하여 시뮬레이 션과 실험을 통하여 부하변화에 따라 각각의 효 율을 측정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
그림 19는 정격 27[Vdc] 입력에서 동작하는 각 방식 에 따른 효율을 측정하였다. 효율측정은 입력단 전압 과 전류를 측정하고 제어부와 보조전원을 제외한 나머지 부분에서의 출력 전압과 전류를 측정하여 효율을 계산하였다.

대상 데이터

그림 1은 기존의 PN 접합 다이오드 대신에 순방향 전압강하 匕가 작은 SBD를 사용하였다. 일반적인 Push-Pull 컨버터는 변압기 1차측의 Si과 S2가 상보적으로 온-오프 되므로 1차 권선이 여자 될 때 생기는 편 여자 현상 때문에 최적 설계가 어렵다.

이론/모형

SBD 를 사용한 정류회로의 순방향 전압강하는 SDSR방식을 사용하여 저감하였다.

성능/효과

1) 기존의 PN접합 다이오드 대신에 SBD를 사용 하면 순방향 전압강하손실이 줄어들어 효율이 개선된다.
2) SBD대신에 MOSFET를 사용하는 SDSR방식 은 도통손실이 작기 때문에 정류 손실이 작아 져 효율이 개선된다.
2차측 L$ L4의 전압 파형과 게이트-소스 전압파형 (Vgs)으로 SWSDSR이 데드타임 구간에도 동기정류가 되는 것을 확인하였다.
3) SDSR의 단점인 데드타임구간에 내부 다이오 드의 순방향 전압강하를 작게하기 위해 스위 칭 소자와 병렬로 SBD를 사용한 방식으로 SDSR보다 효율이 개선된다.
4) 보조권선을 이용한 3WSDSR방식은 데드타임 구간에 게이트 신호가 인가되어 MOSFET의 채널로 도통되기 때문에 데드타임구간에도 동 기정류 스위치가 온 되어 효율이 개선된다. 향후 좀더 개선할 부분은 SWSDSR 방식에서 변압기의 결합도를 높이고 누설 인덕턴스를 감소시키는 연구가 필요할 것으로 사료된다.
그림 4에서 다이오드정류(효율 80%)와 동기정류(효율 90%)의 전체 손실을 비교한 결과 손실의 대부분이 정 류부에서 일어난다는 것을 확인하였다. 90%)의 전체 손실을 비교한 결과 손실의 대부분이 정류부에서 일어난다는 것을 확인하였다.
결론적으로 SWSDSR 방식을 적용하여 데드타임 동 안에도 동기정류 MOSFET를 턴 온 시킴으로써 높은 효율을 얻었다.
결론적으로 SWSDSRe mode 2, 4와 같이 데드타임 구간에도 Li의 전류가 스위치 내부 다이오드를 통하여 흐르지 않고, 스위치의 소스에서 드레인으로 흘러 다 이오드의 岛.에 의한 손실이 없기 때문에 효율이 개선 된다.
따라서 SDSR의 경우 내부 다이오드의 순방향 전압 강하에 의해 손실이 커지는 원인이 된다. 그러나 SWSDSR의 경우는 데드타임구간에도 동기정류 스위 치에 게이팅 신호를 인가해 주기 때문에 스위치의 내부 다이오드를 통해서 흐르지 않고 MOSFET의 드레 인-소스간의 채널로 도통하기 때문에 순방향전압강하 로 인한 손실이 저감되는 것을 확인하였다.
따라서 이와 같은 실험결과로 효율개선 측면에서 SBD, SDSR, SDSR+SBD방식보다 SWSDSR방식이 더 우수함을 확인 하였다.
부하가 15A일때 SBD는 87.2%, SDSRe 88.9%, SDSR+SBD는 91.7%, SWSDSRe 9426% 30A에서 는 SBD는 81.6%, SDSRe 83.3%, SDSR+SBD는 85.5%, SWSDSRe 87.03%로 SWSDSR이 가장 높은 효율을 나타낸다.

후속연구

4) 보조권선을 이용한 3WSDSR방식은 데드타임 구간에 게이트 신호가 인가되어 MOSFET의 채널로 도통되기 때문에 데드타임구간에도 동 기정류 스위치가 온 되어 효율이 개선된다. 향후 좀더 개선할 부분은 SWSDSR 방식에서 변압기의 결합도를 높이고 누설 인덕턴스를 감소시키는 연구가 필요할 것으로 사료된다.

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