기존의 위상 천이 풀-브릿지 컨버터는 변압기 2차측 다이오드의 전압 스트레스를 증가시키는 심각한 전압 진동 문제를 가지고 있으며, 이를 해결하기 위한 부가적인 스너버의 사용은 전체 시스템 효율의 저하를 초래한다. 본 논문에서는 부가적인 스너버의 사용없이 효과적으로 전압 진동 문제를 해결하는 위상 천이 풀-브릿지 컨버터의 새로운 동작 방식을 제안한다. 또한 제안된 방법은 동작 특성 상 넓은 영전압 스위칭 범위를 보장하므로 향상된 효율을 기대할 수 있다. 기존의 동작 방식과 비교하여 제안된 전압 진동 제거 기술의 동작 원리, 전압 진동 분석 및 설계 고려 사항을 나타내었으며, 420W사양의 시험모델을 제작하여 제안된 전압 진동 제거 기술의 타당성을 입증하였다.
기존의 위상 천이 풀-브릿지 컨버터는 변압기 2차측 다이오드의 전압 스트레스를 증가시키는 심각한 전압 진동 문제를 가지고 있으며, 이를 해결하기 위한 부가적인 스너버의 사용은 전체 시스템 효율의 저하를 초래한다. 본 논문에서는 부가적인 스너버의 사용없이 효과적으로 전압 진동 문제를 해결하는 위상 천이 풀-브릿지 컨버터의 새로운 동작 방식을 제안한다. 또한 제안된 방법은 동작 특성 상 넓은 영전압 스위칭 범위를 보장하므로 향상된 효율을 기대할 수 있다. 기존의 동작 방식과 비교하여 제안된 전압 진동 제거 기술의 동작 원리, 전압 진동 분석 및 설계 고려 사항을 나타내었으며, 420W사양의 시험모델을 제작하여 제안된 전압 진동 제거 기술의 타당성을 입증하였다.
Conventional phase shift full bridge (PSFB) converter has serious voltage oscillation problem across the secondary rectifier diodes, which would require the dissipate snubber circuit, thus degrades the overall efficiency. To overcome this problem a new simple voltage oscillation reduction technique ...
Conventional phase shift full bridge (PSFB) converter has serious voltage oscillation problem across the secondary rectifier diodes, which would require the dissipate snubber circuit, thus degrades the overall efficiency. To overcome this problem a new simple voltage oscillation reduction technique (VORT) which effectively reduce the voltage oscillation of the secondary rectifier diodes for phase shift full bridge converter is proposed. Therefore, no dissipate snubber for rectifier diodes is needed. In addition, since it has wide zero voltage switching (ZVS) range, high efficiency can be achieved. Operational principle, analysis of voltage oscillation, and design consideration are presented compare with that of the conventional PSFB converter. To confirm the validity of the proposed VORT, experimental results from a 420W prototype are presented.
Conventional phase shift full bridge (PSFB) converter has serious voltage oscillation problem across the secondary rectifier diodes, which would require the dissipate snubber circuit, thus degrades the overall efficiency. To overcome this problem a new simple voltage oscillation reduction technique (VORT) which effectively reduce the voltage oscillation of the secondary rectifier diodes for phase shift full bridge converter is proposed. Therefore, no dissipate snubber for rectifier diodes is needed. In addition, since it has wide zero voltage switching (ZVS) range, high efficiency can be achieved. Operational principle, analysis of voltage oscillation, and design consideration are presented compare with that of the conventional PSFB converter. To confirm the validity of the proposed VORT, experimental results from a 420W prototype are presented.
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문제 정의
본 논문에서는 기존의 위상 천이 풀-브릿지 컨버터가 가지는 정류단 다이오드의 심각한 전압 진동 문제를 부가적인 회로 없이 간단히 동작을 변화시킴으로서 효과적으로 해결할 수 있는 새로운 전압 진동 제거 기술을 제안한다.
따라서 지상 레그 변이와 같이 Lie에 큰 전압이 인가되는 공진 회로가 형성되지 않으 므로 다이오드의 전압 진동이 생기지 않게 된다. 이 점에 착안하여 본 논문에서는 지상 레그 변이 시의 동작을 진상 레그 변이 시의 동작과 동일하게 동작시키기 위하여 인덕터 전류에 의해 스위치의 출력 캐패시 터와 다이오드의 접합 캐패시터를 동시에 충-방전함으로서 지상 레그 변이 이후에도 전압 진동이 생기지 않는 새로운 전압 진동 제거 방식을 제안한다.
가설 설정
한 주기는 12개의 모드로 나뉘며, 모 드 별 동작 해석 시 다음과 같은 가정을 따른다. 1) 모든 소자는 이상적이다 2) 정상 상태에서 동작한다. 3)스 위치의 출력 캐패시턴스는 다이오드의 접합 캐패시턴 스에 비하여 충분히 크다.
한 주기는 12개의 모드로 나뉘며, 모 드 별 동작 해석 시 다음과 같은 가정을 따른다. 1) 모든 소자는 이상적이다 2) 정상 상태에서 동작한다. 3)스 위치의 출력 캐패시턴스는 다이오드의 접합 캐패시턴 스에 비하여 충분히 크다.
제안된 전압 진동 제거 동작은 진상 레그와 지상 레그 모두 인덕터 전류로 스위치와 다이오드를 충-방 전하는 동작으로 진상 레그 변이 시에는 하드 스위칭 (턴-온)을 하여도 영 전압 스위칭 동작 시와 동일한 전압, nVcb의 전압을 d에 인가하여 전류 동작을 수행하므로 전류 종료 이후 다이오드에는 동일한 Vcb 진폭의 전압 진폭이 나타나지만, 지상 레그 변이 시 하드 스위칭(턴-온)을 하게 되면 Lmg에 Vs의 전압이 인가되므로 다이오드에는 (爲만을 삽입 시와 동일하게 Vs/n 진폭의 전압 진동이 생기게 된다. 따라서 제안된 전압 진동 제거 동작에서는 지상 레그의 영 전압 스위칭이 필수적이다.
앞서 3장의 모드 해석 시, Mode 2와 Mode 6에서 Gss는 Ct에 비하여 충분히 크고, 蜘의 영향이 작아서 Coss와 Ct가 인덕 터 전류에 의해서 동시에 충-방전 된다고 가정하였다 하지만 실제 동작에서는 Llkg, Coss, Ct 등이 다이오드의 전압 진동에 영향을 주므로, 이들 값들을 고려하여 다이오드의 전압 진동을 정량적으로 분석해 보겠다. 여기서 Mode 2의 진상 레그 동작이 후에는 결과적으로 다이오드가 턴-온 되어 0V로 유지되므로, Mode 6의 지상 레그 동작에서의 전압 진동만이 분석이 필요하다.
제안 방법
기존의 위상천이 풀-브릿지 컨버터가 가지고 있는 2차 측 정류단 다이오드의 심각한 전압진동 문제를 해결하기 위하 여 지상레그 변이 동작을 진상레그 변이 동작과 동일하게 동작시키는 새로운 전압진동 제거 기술을 제안하였으며, 부가적인 회로 없이 변압기 2차 측에 직렬 캐패시터를 삽입하고, 작은 자화인덕턴스를 사용함으로서 간단히 구현하였다. 제안된 동작방법은 정류단 다이오드의 전압 진동 제거 효과뿐 아니라 동작 특성상 넓은 영전압 스위칭 영역을 보장한다.
위의 2가지 동작을 수행함으로서 제안된 전압 진동 제거 기술은 진상 레그 변이 이후와 동일한 동작으로 지상 레그 변이 이후의 전압 진동을 제거할 수 있다. 또한 지상 레그 변이 시 인덕터 전류에 의해 스위치의 전압이 충-방전되므로 진상 레그와 마찬가지로 지상 레그 역시 뛰어난 영 전압 스위칭 조건을 가지게 된다.
2) 지상 레그 변이 시, 작은 자화 인덕턴스로 인한 큰 자화 전류를 이용하여 스위치와 다이오드의 전압을 동시에 충-방전한다.
1) 모든 소자는 이상적이다 2) 정상 상태에서 동작한다. 3)스 위치의 출력 캐패시턴스는 다이오드의 접합 캐패시턴 스에 비하여 충분히 크다.
제안된 동작방법은 정류단 다이오드의 전압 진동 제거 효과뿐 아니라 동작 특성상 넓은 영전압 스위칭 영역을 보장한다. 420W 사양의 실험을 통하여 기존의 동작과 제안된 전압진동 제거 동작의 다이오드 전압진동을 비교하였으며, 제안된 동작방법이 효과적으로 2차 측 다이오드의 전압진동을 제거함을 확인함으로써 그 타당성을 입증하였다.
제안된 동작 방식의 경우 지상 레그 이후에는 每만을 삽입 시와 동일하게 te에서 Vcb진폭의 전압 진동이 나타나지만, 지상 레그 변이가 종료되는 시점 td에는 아주 작은 전압 진동만이 나타나게 된다. 결과적으로 제안된 동작 방법은 진상 레그 변이와 지상 레그 변이 이후에 작은 전압 진동만이 일어나게 되므로 기존의 위상 천이 풀-브릿지 컨버터가 가지는 심각한 전압 진동 문제가 효과적으로 해결됨을 알 수 있다.
그림 15(b) 는 정류단 다이오드의 전압, 전류 파형을 나타내며, 앞서 이론적 해석에 서와 마찬가지로 지상 레그 변이 이후와 진상 레그 변이 이후에 항상 작은 전압 진동만이 형성된다. 결론적으로 제안된 전압 진동 제거 동작은 2차 측 정류단다 이오드의 전압 진동을 효과적으로 제거함을 확인할 수 있다.
제안된 동작 방법의 경우, 진상 레그 변이와 지상 레그 변이 모두 인덕터 전류에 의해서 스위치의 전압이 충-방전되므로, 각각의 레그 모두 뛰어난 영 전압 스위칭 조건을 가진다. 그림 11에는 영 전압 스위칭 파 형을 나타내었으며, 각각의 영 전압 스위칭 조건은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
또한 Cb만을 삽입 동작 방법의 경우, tb에서 전류가 종료되면 Vcb 진폭의 전압 진동이 나타나며, te에서 지상 레그 스위치가 턴-온 되면 Vs/n 진폭의 큰 전압 진동이 나타난다. 제안된 동작 방식의 경우 지상 레그 이후에는 每만을 삽입 시와 동일하게 te에서 Vcb진폭의 전압 진동이 나타나지만, 지상 레그 변이가 종료되는 시점 td에는 아주 작은 전압 진동만이 나타나게 된다. 결과적으로 제안된 동작 방법은 진상 레그 변이와 지상 레그 변이 이후에 작은 전압 진동만이 일어나게 되므로 기존의 위상 천이 풀-브릿지 컨버터가 가지는 심각한 전압 진동 문제가 효과적으로 해결됨을 알 수 있다.
기존의 위상천이 풀-브릿지 컨버터가 가지고 있는 2차 측 정류단 다이오드의 심각한 전압진동 문제를 해결하기 위하 여 지상레그 변이 동작을 진상레그 변이 동작과 동일하게 동작시키는 새로운 전압진동 제거 기술을 제안하였으며, 부가적인 회로 없이 변압기 2차 측에 직렬 캐패시터를 삽입하고, 작은 자화인덕턴스를 사용함으로서 간단히 구현하였다. 제안된 동작방법은 정류단 다이오드의 전압 진동 제거 효과뿐 아니라 동작 특성상 넓은 영전압 스위칭 영역을 보장한다. 420W 사양의 실험을 통하여 기존의 동작과 제안된 전압진동 제거 동작의 다이오드 전압진동을 비교하였으며, 제안된 동작방법이 효과적으로 2차 측 다이오드의 전압진동을 제거함을 확인함으로써 그 타당성을 입증하였다.
a. 제안된 전압 진동 제거 동작은 진상 레그와 지상 레그 모두 인덕터 전류로 스위치와 다이오드를 충-방 전하는 동작으로 진상 레그 변이 시에는 하드 스위칭 (턴-온)을 하여도 영 전압 스위칭 동작 시와 동일한 전압, nVcb의 전압을 d에 인가하여 전류 동작을 수행하므로 전류 종료 이후 다이오드에는 동일한 Vcb 진폭의 전압 진폭이 나타나지만, 지상 레그 변이 시 하드 스위칭(턴-온)을 하게 되면 Lmg에 Vs의 전압이 인가되므로 다이오드에는 (爲만을 삽입 시와 동일하게 Vs/n 진폭의 전압 진동이 생기게 된다. 따라서 제안된 전압 진동 제거 동작에서는 지상 레그의 영 전압 스위칭이 필수적이다.
참고문헌 (9)
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J. A. Sabate, V. Vlatkovic, R. B. Ridley, F. C. Lee, 'High-voltage, high power, ZVS, full bridge PWM converter employing an active snubber,' IEEE APEC'91 Rec., 1992, pp. 158-163
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