[논문]개선된 영전압 스위칭 액티브 클램프 포워드 컨버터

최선호; 이현관; 김은수

문제 정의

따라서 본 논문에서는 이러한 컨버터의 부하전류 증 가 시 발생하는 문제점을 개선하고자 변압기 2차측에 무손실 스너버를 적용하여 변압기의 자화인덕턴스를 감소시키지 않고도 영전압 스위칭을 구현하였다.
본 논문에서는 기존의 액티브 클램프 포워드 컨버터 가 연속모드로 동작시에 영전압 스위칭이 이루어지지 않는 문제점을 개선하기 위하여 변압기 2차측에 탭-인덕터와 스너버 커패시터 그리고 다이오드로 구성된 무 손실 스너버 회로를 사용하여 자화인덕턴스(Magnetiz- ing Inductance)를 감소시키지 않고도 작은 자화전류 로 영전압 스위칭을 구현시켰다. 따라서, 컨버터의 도 통손실이 저감되어 효율이 증가하였고, 환류 다이오드 에서 발생하는 서지전압을 일정한 전압으로 제한시켜 서 출력전압의 노이즈를 근본적으로 제거시켰다

제안 방법

그림 7은 기존의 액티브 클램프 포워드 컨버터와 무 손실 스너버 적용 액티브 클램프 포워드 컨버터의 효 율을 비교한 것으로 효율측정 방법은 PM3000 파워메 타를 이용하여 입력측은 교류전압 및 교류전류를 측정 하였고, 출력측은 직류전압과 직류전류를 측정하여 효 율을 기록하였다. 그래프에서 부하별로 효율특성을 살 펴보면 100W까지는 무손실.
이러한 문제를 보 완하고자 변압기의 자화인덕턴스(Magnetizing Inductance, 临)를 감소시키거나 변압기 2차측에 과포화 인 덕터 (Saturable Inductor)를 사용하는 방법이 제안되었 다团 하지만, 자화인덕턴스의 감소는 자화전류 (Magnetizing Current)의 증가로 인하여 도통손실과 EMI를 증가시키는 원인이 되었고, 변압기 2차측에 과 포화 인덕터의 사용은 인덕터 자체 발열로 인해 효율 감소의 원인이 되었다. 따라서, 본 논문에서는 기존의 액티브 클램프 포워드 컨버터의 변압기 2차측에 탭-인 덕터와 커패시터 그리고 2개의 다이오드로 구성된 무 손실 스너버 회로를 적용하여'岡 자화인덕턴스를 감소 시키지 않고도 보다 확실한 영전압 스위칭이 구현되는 300W급 용량의 컨버터를 제안하였다.
본 논문에서는 기존의 액티브 클램프 포워드 컨버터 가 연속모드로 동작시에 영전압 스위칭이 이루어지지 않는 문제점을 개선하기 위하여 변압기 2차측에 탭-인덕터와 스너버 커패시터 그리고 다이오드로 구성된 무 손실 스너버 회로를 사용하여 자화인덕턴스(Magnetiz- ing Inductance)를 감소시키지 않고도 작은 자화전류 로 영전압 스위칭을 구현시켰다. 따라서, 컨버터의 도 통손실이 저감되어 효율이 증가하였고, 환류 다이오드 에서 발생하는 서지전압을 일정한 전압으로 제한시켜 서 출력전압의 노이즈를 근본적으로 제거시켰다
본 실험 에서의 입력전압(Vm)은 상용주파수(60Hz)를 가지는 단 상 교류전압을 사용하였으며, 이 교류전압을 정류한 직류전압이 311V가 되도록 설정하여 실험하였다. 또한 표 1과 표 2에서 변압기의 턴수비가 서로 다르게 적용 되었는데, 이는 무손실 스너버 적용 액티브 클램프 포 워드 컨버터가 기존의 액티브 클램프 포워드 컨버터와 다르게 높은 DC이득 특성을 가짐으로써 풀 부하 (300W)로 동작 시에 같은 Duty로 동작하게 하여 같은 자화전류(爲)를 발생시켜서 같은 도통손실을 주어 같은 조건에서 비교하고자 턴수비를 조정하였다. 그리고 표 3은 각 컨버터에 사용 되어진 주요 소자들의 목록을 기록하였다.
본 논문에서 제안한 무손실 스너버 적용 액티브 클 램프 포워드 컨버터는 기존의 액티브 클램프 포워드 컨버터의 변압기 2차측에 탭-인덕터, 스너버 커패시터 (CS2)그리고 2개의 다이오드(。, 以)로 구성된 무손실 스너버 회로가 적용된 컨버터로써, 부하전류와 무관하 게 영전압 스위칭이 구현되며 또한 다이오드 Df에서 지전압이 발생하지 않는다는 특징을 가지고 있다.
본 논문에서는 기존의 액티브 클램프 포워드 컨버터 와 제안된 무손실 스너버 적용 액티브 클램프 포워드 컨버터를 하나의 PCB보드에 동일한 출력 인덕터를 사 용하였으며, 단 변압기와 회로 결선만 변경하여 두 종 류의 컨버터를 각각 실험하였다.
표 1은 기존의 액티브 클램프 포워드 컨버터의 실험 조건이고, 표 2는 제안된 무손실 스너버를 적용한 액 티브 클램프 포워드 컨버터의 실험조건이다. 본 실험 에서의 입력전압(Vm)은 상용주파수(60Hz)를 가지는 단 상 교류전압을 사용하였으며, 이 교류전압을 정류한 직류전압이 311V가 되도록 설정하여 실험하였다. 또한 표 1과 표 2에서 변압기의 턴수비가 서로 다르게 적용 되었는데, 이는 무손실 스너버 적용 액티브 클램프 포 워드 컨버터가 기존의 액티브 클램프 포워드 컨버터와 다르게 높은 DC이득 특성을 가짐으로써 풀 부하 (300W)로 동작 시에 같은 Duty로 동작하게 하여 같은 자화전류(爲)를 발생시켜서 같은 도통손실을 주어 같은 조건에서 비교하고자 턴수비를 조정하였다.

성능/효과

또한 t2에서 t3구 간까지 제안된 무손실 스너버 적용 액티브 클램프 포 워드 컨버터에서는 i_dr의 전류가 탭-인덕터 L2에 의하여 완만하게 상승되고, 변압기의 1차측으로 유도된 전 류 i_dr/ne 완만한 기울기에 의하여 변압기의 자화전 류(im)를 크게 감쇄 시키지 못한다. 결국, 제안된 무손 실 스너버 적용 액티브 클램프 포워드 컨버터는 기존의 액티브 클램프 포워드 컨버터 보다 작은 자화전류 (im)로 鬲의 영전압 스위칭을 가능하게 한다.
스너버를 적용한 액티브 클램프 포워드 컨버터가 작은 자화전류(爲)에 의하여 높은 효율특성을 보였으며, 2贝W이상의 부하에서는 기존의 액티브 클램프 포워드 컨버터가 영전압 스위칭 이 이루어지지 않으면서 하드 스위칭에 의한 손실증가 로 제안된 컨버터가 더 높은 효율특성을 보였다. 그리고 기존의 액티브 클램프 포워드 컨버터를 전부하에서 영전압 스위칭이 이루어 지도록 자화인덕턴스 (Lmp) 를 299.5uH로 낮추어 효율을 측정해본 결과 큰 자화전류 (im) 의한 도통손실 증가로 전부하에서 대체로 낮은 효 율특성을 보였다.
그림 5는 기존의 액티브 클램프 포워드 컨버터와 무 손실 스너버 적용 액티브 클램프 포워드 컨버터의 환류 다이오드 Df의 전압 및 전류파형으로 기존의 액티 브 클램프 포워드 컨버터에서는 변압기 누설인덕턴스 와 다이오드 접합커패시턴스와의 기생진동 및 스파이 크 서지전압이 발생하였으나, 무손실 스너버를 적용한 액티브 클램프 포워드 컨버터에서는 급격한 서지전압 발생 없이 일정한 전압으로 클램프 되는 것을 볼 수 있었다.
따라서, 본 논문에서 제안한 무손실 스너버 적용 개 선된 액티브 클램프 포워드 컨버터가 기존의 액티브 클램프 포워드 컨버터 보다 뛰어난 영전압 스위칭 기능을 가지고 있음을 증명하였다.
그래프에서 부하별로 효율특성을 살 펴보면 100W까지는 무손실. 스너버를 적용한 액티브 클램프 포워드 컨버터가 작은 자화전류(爲)에 의하여 높은 효율특성을 보였으며, 2贝W이상의 부하에서는 기존의 액티브 클램프 포워드 컨버터가 영전압 스위칭 이 이루어지지 않으면서 하드 스위칭에 의한 손실증가 로 제안된 컨버터가 더 높은 효율특성을 보였다. 그리고 기존의 액티브 클램프 포워드 컨버터를 전부하에서 영전압 스위칭이 이루어 지도록 자화인덕턴스 (Lmp) 를 299.
이는 변압기 2차측에 무손실 스너버로 사용되어 진 클램프 커 패시 터 CS2의 영 향으로써 실제 출력전 압에도 영향을 주어 그림 6과 같이 무손실스너버를 적용한 액티브 클램프 포워드컨버터의 출력전압이 기존의 액티브 클램프 포워드컨버터의 출력전압보다 잡음 (Noise)이 감소되었다.

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