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문제 정의
- 그리고 큰 누설 인덕턴스는 심한 기생 링깅과 효율 감소의 원인이 된다. 이런 문제를 해결하기 위한 배전류 정류 방식의 싱글코어에 입력필터를 통합한 향상된 푸시 풀 포워드 컨버터의 동작특성에 대해 고찰하였다. 코어구조 형태는 중간에 공극이 존재하며 바깥쪽에 두 개의 권선이 감겨 있는 형태이다.
제안 방법
- Set①은 1, 2차 권선간 결합률을 좀 더 높이기 위해서 권선은 플래너 변압기용으로 제작된 PCB 권선을각각 1, 2차 측에 사용하였으며 1차 측에는 6턴을 병렬로 2세트를 제작하였고, 2차 측은 2턴을 병렬로 연결하여 사용하였다. 코어는 FEE 18/8/10C를 사용하였으면 에어 갭은 0.
- Set⑤는 공극을 크게 함으로써 변압기의 1차 측 누설 인덕턴스의 값과 2차 측의 출력 인덕터와 2차 측의 누설 인덕턴스 값을 조절함에 따른 효율의 증가 여부를 측정하였다. 그리고 set③, Set④의 실험에서 스위칭 주파수가 200kHz일 때 효율이 가장 좋게 측정되었기 때문에 스위칭 주파수는 동일하게 적용하였다.
- 대해서 특성을 비교 설명하였다. 그리고 컨버터의 부하에 따른 실험 파형을 측정하였으며 주스위치의 양단간 전압, 변압기 2차 측 전압 그리고 출력 인덕터의 전류 파형을 측정하였다.
- 본 논문에서는 이러한 문제점들 중에서 소형 경량화시킬 수 있는 방법의 하나로 회로 내의 모든 자성 소자를 하나의 자성 소자에 포함시킴으로써 구조적으로 고밀도화 할 수 있도록 싱글 코어에 입력필터를 통합한 푸시 풀 포워드 컨버터에 대해 특성을 비교 분석하였으며, 이 컨버터의 효율을 높이기 위해서는 멀티 변압기의 1차 측 권선들의 누설 인덕턴스와 클램프 커패시터 값을 최적화시키고 입력 필터가 입력전류를 필터링시키고 최적의 출력 인덕터값과 1, 2차 권선들 간의결합률을 높이면 효율을 증가시킬 수 있다侦51.
- 4mm이다. 에어 갭의 크기를 조절함으로써 변압기의 1차 측의 누설 인덕턴스 값과 2차 측의 출력 인덕터 값을 조절하였다.
- 코어의 크기와 주파수 변화에 따른 특성을 비교하기위해서 set④의 전체적인 부분은 동일하게 설계하였으며 멀티변압기의 제작에 있어서 Nicera사의 NC-2H FEI32/8/10C (4:1 100kHz) 코어의 바깥쪽에 1차 권선을 감고 역시 바깥쪽에 변압기의 2차 권선과 출력 인덕터의 역할을 함께 하는 권선을 감았다. 변압기의 권수비는 동일하지만 스위칭 주파수를 100kHz로 하였다.
- 특성을 비교하기 위해 구분하여 5세트로 제작하였으며 각각의 설계 사항을 표 1에 나타내었고 각각의 세트에 대해서 특성을 비교 설명하였다. 그리고 컨버터의 부하에 따른 실험 파형을 측정하였으며 주스위치의 양단간 전압, 변압기 2차 측 전압 그리고 출력 인덕터의 전류 파형을 측정하였다.
- 푸시 풀 포워드 컨버터의 2차 측 정류 방식은 다이오드 대신에 전력용 MOSFET를 사용하는 동기 정류방식을 적용하였다. 그림 5는 자가 운전 동기정류 방식 (Self-driven synchronous rectification)을 나타낸다.
- 그리고 set③, Set④의 실험에서 스위칭 주파수가 200kHz일 때 효율이 가장 좋게 측정되었기 때문에 스위칭 주파수는 동일하게 적용하였다. 회로의 전체적인 부분은 다른 세트들과 동일하게 설계하였으며 멀티변압기의 제작에서 Nicera사의 NO2H FEI32/ 8/10C (4:1 100kHz) 코어의 바깥쪽에 1차 권선을 감고 또한 변압기의 2차 권선과 출력 인덕터의 역할을 함께하는 권선을 감았다. 실험 결과, 입력전압이 48V에서부하가 14A일 때 81.
이론/모형
- 통합된 자성 요소들은 효율 향상과 자성 소자의 수를 줄이기 위해서 Multiphase VRM (Voltage Regulater Module) 형태로 사용된다. 모든 통합된 자성소자들은 양쪽에 공극이 위치하고 중간에 권선을 감는 방법으로 하나의 코어에 통합시킬 수 있다.
성능/효과
- 이 결과로부터 멀티 변압기를 제작할 때 1차, 2차 권선 간의 결합률을 강화하는 것이 효율을 높이고 특성을 좋게 할 수 있다는 것을 알 수 있다. 그리고 크기가 큰 FEI22와 FEI32를 사용했을경우에 플래너용 PCB 권선을 변압기의 1, 2차 측에 적용한 set①, set②의 경우보다 효율이 떨어졌다.
- 알 수 있다. 두 개의 실험 세트에서 공통적으로 보인 심한 기생 링깅 현상의 문제를 해결하기 위해서는 멀티 변압기를 제작할 때 1, 2차 측 권선의 결합률을 최대한 강화시키고 변압기 1차 측의 적절한 누설 인덕턴스 값과 2차 측의 출력 인덕터가 최적의 값이 되도록 변압기를 설계하는 것이 입력 필터를 가진 푸시 풀 포워드 컨버터의 효율을 극대화시킬 수 있다.
- 따라서 Set③, Set④의 실험을 통해서 변압기의 권선비가 4:1이며 lout가 30A일 때 스위칭 주파수는 100kHz 보다는 200kHz에서 효율이 좀 더 높게 측정됨을 알 수 있다. 두 개의 실험 세트에서 공통적으로 보인 심한 기생 링깅 현상의 문제를 해결하기 위해서는 멀티 변압기를 제작할 때 1, 2차 측 권선의 결합률을 최대한 강화시키고 변압기 1차 측의 적절한 누설 인덕턴스 값과 2차 측의 출력 인덕터가 최적의 값이 되도록 변압기를 설계하는 것이 입력 필터를 가진 푸시 풀 포워드 컨버터의 효율을 극대화시킬 수 있다.
- 45 UH) 코어를 사용해서 바깥쪽에 1차 권선을 감고 역시 out leg에 변압기의 2차 권선과 출력 인덕터의 역할을 함께 하는 권선을 감았다. 실험 결과, set③에서는 입력 전압이 48V에서 최고 효율이 83.5%로 측정됐다.
- 이 구조는 물리적 안정성이 높고 코어의 크기도 줄일 수 있으며 공극이 중간에만 존재하므로 바깥쪽에 공극이 존재하는 것보다 상대적으로 제조하기 쉬울 뿐만 아니라 가격도 낮다는 장점이 있고, 기존 방식에 비해 기생 발진의 감소로 인한 효율 상승을 기대할 수 있다. 실험 결과, 입력 전압 36~72 [VDC], 출력 전압 3.3EVDC], 출력 전류 30[A] 스위칭주파수 200kHz에서 부하 전류가 11A일 때 83.5%의 효율이 측정되었고 전 부하 시 76.4%, 반부하 시 82.95%가 측정되었다.
- 회로의 전체적인 부분은 다른 세트들과 동일하게 설계하였으며 멀티변압기의 제작에서 Nicera사의 NO2H FEI32/ 8/10C (4:1 100kHz) 코어의 바깥쪽에 1차 권선을 감고 또한 변압기의 2차 권선과 출력 인덕터의 역할을 함께하는 권선을 감았다. 실험 결과, 입력전압이 48V에서부하가 14A일 때 81.9%의 효율로 측정되었고 공극을 크게 해서 1차 측 누설 인덕턴스는 늘리고 2차 측 출력 인덕터를 작게 해서 효율의 변화를 측정했는데 효율이 증가하지 않았다. 에어 갭이 커짐으로써 멀티 변압기의 1차 측 권선들의 누설 인덕턴스가 커져 링깅 현상이 더욱 심해져 효율이 증가하지 않고 파형과 컨버터의 특성 또한 좋지 않게 나타났다.
- 변압기의 권수비는 동일하지만 스위칭 주파수를 100kHz로 하였다. 실험결과, 입력전압이 48V에서 효율이 81.95%로 측정되었고 스위칭 주파수가 200kHz인 set③의 경우보다 효율이 낮게 측정되었다.
- 9%의 효율로 측정되었고 공극을 크게 해서 1차 측 누설 인덕턴스는 늘리고 2차 측 출력 인덕터를 작게 해서 효율의 변화를 측정했는데 효율이 증가하지 않았다. 에어 갭이 커짐으로써 멀티 변압기의 1차 측 권선들의 누설 인덕턴스가 커져 링깅 현상이 더욱 심해져 효율이 증가하지 않고 파형과 컨버터의 특성 또한 좋지 않게 나타났다. 효율이 가장 높게 나타난 set③의 경우 파형을 측정하였으며 그림 7 과 그림 8에 나타내었다.
- 그림 6에서 Set①이 Set②보다 효율 면에서 좋은 특성을 나타내고 있다. 이 결과로부터 멀티 변압기를 제작할 때 1차, 2차 권선 간의 결합률을 강화하는 것이 효율을 높이고 특성을 좋게 할 수 있다는 것을 알 수 있다. 그리고 크기가 큰 FEI22와 FEI32를 사용했을경우에 플래너용 PCB 권선을 변압기의 1, 2차 측에 적용한 set①, set②의 경우보다 효율이 떨어졌다.
- 2차 측 동기 정류 방식은 다이오드의 전압강하로 인한 손실을 전력용 MOSFET의 온 저항(RDS(on)) 손실로 대처하여 낮출 수 있다. 통합된 자성구조에서 배 전류 정류 방식은 출력 인덕터 전류와 변압기 2차 측 전류의 실효값을 줄임으로써 전체의 전도 손실 또한 줄일 수 있다. 그리고 두 개의 출력 인덕터 ac전류 성분이 상쇄됨으로써 출력 전압 리플이 감소해 출력 필터의 크기도 줄일 수 있다.
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