[논문]강압형과 하프 브리지 직렬형 DC-DC 컨버터

김창선

문제 정의

본 논문에서는 넓은 입력 범위를 가지고 저전압 출력과 대 전류 출력에 매우 적합한 강압형과 하프 브리지 직렬형 DC-DC 컨버터를 설계하여 특성을 분석하였다. 강압형 컨버 터는 환류 다이오드 대신에 동기정류기를 사용하여 효율을 높이고 스위칭 손실을 줄이기 위해 영전압 스위칭 동작을 한다.
본 연구에서는 여러가지 종류의 두 개의 스테이지 컨버터 중 하나인 강압형과 하프 브리지 직렬형 컨버터(Buck and Half Bridge series converter)의 특성에 대해 고찰하고자 한다. 컨버터의 사양은 입력 전압 36~72V, 출력 전압은 3.
앞에서 가장 좋은 효율을 갖는 강압형 컨버터와 하프 브리 지 컨버터에 대해 고찰하였다. 강압형과 하프 브리지 직렬형 DC-DC 컨버터는 가장 효율이 좋았을 때 직렬로 구성하면 된다.

제안 방법

강압형 컨버터, 하프 브리지 컨버터를 각각 설계하여 실험 하였고 가장 효율이 좋은 영역을 구하여 강압형과 하프 브리 지 직렬형 DC-DC 컨버터를 제작하여 실험하였다. 각각의 컨 버터 설계사양은 다음과 같다.
스위칭 주파수는 강압형 컨버 터와 하프 브리지 컨버터가 동일하게 150kHz로 설정하였다. 그리고 강압형 컨버터의 제어 회로와 하프 브리지 컨버터의 제어 회로를 동기 시켰을 때와 동기 시키지 않았을 때를 구 분하여 실험하고 측정하였다. 그림 14은 강압형과 하프 브리 지 직렬형 DC-DC 컨버터의 제어 시스템을 나타낸다’
이는 매우 작은 출력 필 터 인덕터를 요구하고 동기 정류기의 동작을 최적화 시킬 수 있다. 동기 정류기는 환류 다이오드의 전압강하로 인한 손실 을 없애기 위해 전력용 MOSFET# 사용하고 스위칭 손실을 줄이기 위해 영전압 스위칭 동작을 하도록 벅 컨버터의 인덕 터 값을 설계한다. 이와 같이 동기 강압형 컨버터는 경부하 일 때도 불연속 모드(discontinuous mode)로 들어가지 않기 때문에 부하에 따른 전달함수는 같다.
강압형과 하프 브리지 직렬형 DC-DC 컨버터는 가장 효율이 좋았을 때 직렬로 구성하면 된다. 따라서 출력 필터 인덕터가 일 때의 벅 컨버터 와 PC₄₄ PQI26/11.5로 제작한 변압기를 사용한 하프 브리지 컨버터를 사용하여 강압형과 하프 브리지 직렬형 DC-DC 컨 버터를 제작하여 실험하였다. 스위칭 주파수는 강압형 컨버 터와 하프 브리지 컨버터가 동일하게 150kHz로 설정하였다.
강압형 컨버터는 Quasi-Square-Wave 형태의 영전압 스위칭 (Zero-voltage Switching) 동작을 하고 하프 브리지 컨버터의 2차 측 정류 방식은 효율을 높이기 위해 자가운전 동기정류 방식 (Self-driven synchronous rectification)을 사용하여 설계 하였다. 또한 강압형 컨버터와 하프 브리지 컨버터의 제어 회로를 따로 분류하여 동기 시켰을 때와 동기 시키지 않았을 때의 특성을 비교 분석하였다.
그림 12은 스위칭 주파수에 따른 하프 브리지 컨버터의 효 율을 나타낸 곡선이다. 본 실험에서는 스위칭 주파수를 각각 100kHz, 150kHz, 200kHz로 나누어 효율을 측정해 보았다. 실 험결과와 마찬가지로 스위칭 주파수가 증가하면 변압기의 코 어 손실은 증가하지만 Bmax값이 떨어지게 되므로 이 두 가 지의 경우를 고려하여 코어 손실을 계산해야 한다.
강압형 컨버 터는 환류 다이오드 대신에 동기정류기를 사용하여 효율을 높이고 스위칭 손실을 줄이기 위해 영전압 스위칭 동작을 한다. 하프 브리지 컨버터의 경우는 스위칭 주파수의 변화와 코어 형태에 따른 효율을 비교하였다. 스위칭 주파수가 감소 하면 변압기의 코어 손실은 감소하여 컨버터의 효율이 올라 가지만 코어의 최대 자속 밀도 값이'상승하여 어느 정도의 스위칭 주파수 대역이 되면 거의 일정해 지거나.

대상 데이터

그림 13은 변압기 형태와 재질에 따른 효율 특성곡선이다. EI20/6.5/15형태의 변압기의 재질은 ML25D, ER22/7.5/15형태의 재질은 NC-2H 와 PQI26/11.5 형태의 재질은 PC₄₄ 로 사용하였다. PC₄₄ PQI26/1L5의 플래너 페라이트 코어를 사용한 변압기가 가장 좋은 효율 곡선을 나타낸다.

이론/모형

이와 같이 전체 컨버터(강압형과 하프 브리지 직 렬형 DC-DC 컨버터)에서 볼 때 하프 브리지 컨버터는 입력 측과 출력 측의 절연 역할을 하는 변압기 역할을 한다. 2차 측 정류 회로는 손실을 줄이기 위해 다이오드 대신에 MOSFET을 사용하는 동기 정류 방식과 중간 탭 정류기 (Center-tapped rectifier) 방식을 적용하였다. 그림 4와 그림 5는 하프 브리지 컨버터와 이론적인 파형을 나타낸다.
3V, 출력 전류는 30A이고 스위칭 주파수가 150kHz이다. 강압형 컨버터는 Quasi-Square-Wave 형태의 영전압 스위칭 (Zero-voltage Switching) 동작을 하고 하프 브리지 컨버터의 2차 측 정류 방식은 효율을 높이기 위해 자가운전 동기정류 방식 (Self-driven synchronous rectification)을 사용하여 설계 하였다. 또한 강압형 컨버터와 하프 브리지 컨버터의 제어 회로를 따로 분류하여 동기 시켰을 때와 동기 시키지 않았을 때의 특성을 비교 분석하였다.
제어부분으로 비절연형인 강압형 컨버터(Buck converter), 승압형 컨버터(Boost converter), 강 압승압형 컨버터 (Buck-Boost converter)등이 사용되고 절연 부분으로는 절연형 컨버터인 포워드 컨버터 (Forward converter), 하프 브리지 컨버터(Half Bridge converter), 풀 브리지 컨버터(Full Bridge converter), 푸시 풀 컨버터 (Push-pull converter)등이 사용된다. 그리고 절연형 컨버터의 2차 측 정류 방식으로는 효율을 높이기 위해 저전압 출력에 샤용되는 동기 정류 방식 (Synchronous Rectification)을 사용 한다.[1H₅]

성능/효과

입력전압이 36V일 때. 93.6%(부하전류가 6A), 48V일 때 92.3%(부하전류가 7A), 72V일 때는 89.9%(부하전류가 9A)로 가장 효율이 좋다. 경부하일 때를 제외하고 가장 효율 이 낮은 부분은 부하전류가 가장 높을 때이며 입력전압이 36V일 때 85.
9%(부 하전류가 9A)로 효율이 가장 좋게 나타났다. 경부하일 때를 제외하고 가장 효율이 낮은 부분은 부하전류가 가장 높을 때 이며 입력전압이 36V일 때 85.5%, 48V일 때 85.1%, 72V일 때 83.9%로 측정되었다.
코어 형태에 따른 효율 비교에서는 PQI 형태의 플래너 코어를 사용한 변압기가 가장 좋은 효율 곡선을 나타냄을 알 수 있다. 실험 결과, 입력전압이 36V일 때 93.6%(부하전류가 6A), 48V일 때 92.3%(부하전류가 7A), 72V일 때는 89.9%(부 하전류가 9A)로 효율이 가장 좋게 나타났다. 경부하일 때를 제외하고 가장 효율이 낮은 부분은 부하전류가 가장 높을 때 이며 입력전압이 36V일 때 85.
입력전압과 부하전류가 높아짐에 따라 컨버터 의 효율이 감소한다는 것을 알 수 있다. 입력전압이 36V일 때 93.7%(부하 전류가 6A), 48V일 때 92.3%(부하전류가 8A), 72V일 때는 89.9%(부하전류가 10A)로 가장 효율이 좋다. 경 부하일 때를 제외하고 가장 효율이 낮은 부분은 부하전류가 가장 높을 때이며 입력전압이 36V일 때 84.
3A이상에서는 하드 스위칭 동 작을 한다. 효율 결과 값을 보면 영전압 스위칭에서 하드 스 위칭으로 바뀌는 부분에서 가장 좋은 효율이 나타난다.

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