[논문]전압 리플을 이용해 영전류 스위칭하는 두 개의 트랜스포머를 가지는 위상천이 풀-브릿지 컨버터

한상규; 문건우; 윤명중; 윤현기

전압 리플을 이용해 영전류 스위칭하는 두 개의 트랜스포머를 가지는 위상천이 풀-브릿지 컨버터
Zero-Current Switching Two-Transformer Phase-Shifted Full-Bridge Converter using Voltage Ripple 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.11 no.1, 2006년, pp.14 - 21

한상규 (국민대 전자정보통신공학부) , 문건우 (한국과학기술원 전기전산학과) , 윤명중 (한국과학기술원 전기전산학과) , 윤현기 (한국과학기술원 전기전산학과)

초록
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본 논문에서는 출력 전압의 리플을 이용하여 지상 레그(lagging leg)의 스위치들의 영전류 스위칭(ZCS)을 수행하는 두 개의 트랜스포머를 가지는 위상천이 풀-브릿지 컨버터를 제안하다. 제안된 컨버터는 진상 레그(leading leg)의 스위치들은 영전압 스위칭(ZVS)을 수행하고, 지상 레그의 스위치들은 출력 전압-더블러(Voltage-Doubler)의 전압 리플차를 이용해 출력 다이오드의 전류 전환(commutation)이 빠르게 이루어지도록 하여서 중부하에는 영전류 스위칭을, 경부하에서는 영전압 스위칭을 가능하게 한다. 또한 출력측의 전압 리플차를 이용하기 때문의 기존의 1차측 부스트 캐패시터를 이용하는 컨버터에 비해 턴비를 이용하여 보다 빠른 전류 전환을 수행할 수 있는 장점을 가진다. 따라서 별도의 추가적인 소자없이 모든 스위치의 소프트스위칭이 가능하도록 하고, 지상 레그의 영전류 스위칭을 통해서 환류구간의 순환전류도 없애줌으로써 높은 효율을 얻을 수 있다. 모드 해석과 실험을 통하여 제안 컨버터의 성능을 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a Zero-Current Switching(ZCS) two-transformer phase-shifted full-bridge(TTFB) converter using voltage ripple. The proposed converter provides Zero-Voltage Switching(ZVS) of leading leg switches and ZCS of lagging leg switches using voltage ripple. Especially, circulating current is reduced by ZCS operation and there are no additional components required for the soft switching of power switches. Furthermore, in case of light load, ZVS operation of lagging leg can be achieved. The operations, analysis and design consideration of proposed converter are presented. To verify the validity of the proposed converter, experimental results for a 410W (205[V], 2[A]) prototype are presented.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

제안된 회로의 정상상태 해석을 위하여 그림 1에서 명시되지 않은 기생성분은 모두 무시하고, 두 개의 트랜스포머(Ti, T2)는 완전히 동일하다고 가정하며, 간결한 해석을 위해 선형적으로 해석한다. 또한, 제안된 회로의 동작은 그림 2에서처럼 to~t3 및 t3~t'o의 두 개의 반주기로 나눌 수 있으며 각각의 동작은 전류의 방향을 제외하고는 서로 대칭적이기 때문에 첫 번째 반주기에 대해서만 해석한다.
해석의 편의를 위해서 각 레그의 스위치 사이 데드타임(dead time)은 없는 것으로 가정하고 두 개의 트랜스포머(Ti, T2)에 전압-시간 평형조건을 이용하여식 (9)과 같이 입출력 전압 관계식을 구할 수 있다. 제안된 컨버터의 입출력 전압 관계식은 기존 컨버터囲에비해 두 배가 되고, 따라서 절반으로 줄어든 트랜스포머의 턴비(n)로 인해 출력 다이오드의 정격 전압은 반으로 줄어드는 장점을 가지게 된다.

제안 방법

두 개의 트랜스포머의 자화 인덕턴스는 50[%]의부하조건에서 영전압 스위칭으로 전환되도록 선정하였으며, 최대 시비율은 0.4로 계산하여 트랜스포머의 턴비를 결정하였다. 또한 진상 레그 스위치들은 영전류스위칭을 수행하기 때문에 턴오프 손실이 큰 IGBT를이용하였다.
따라서 본 논문에서는 두 개의 트랜스포머를 가지는풀-브릿지 컨버터를 기반으로 출력전압의 리플을 이용하여 중부하에서는 지상 레그의 스위치가 영전류 스위칭을 하도록 하고, 경부하에서는 순환전류를 줄이며 영전압 스위칭 하여 넓은 부하영역에서 소프트 스위칭하는 고효율 컨버터를 제안한다.
컨버터를 제안하였다. 별도의 소자 추가없이 전압 리플만을 이용하여 빠른 출력전류 전환을 이루었고, 순환전류도 줄여주며, 지상 레그 스위치에 중부하에서는 영전류 스위칭을, 경부하에서는 영전압 스위칭을 수행하였다. 또한 영전류 스위칭으로 저가의 IGBT 를 이용할 수 있었으며, 기존의 컨버터들에 비해 전부하 구간에서 평평한 효율을 얻을 수 있었다.
본 논문에서는 기존의 두 개의 직렬 연결된 트랜스포머를 가지는 풀-브릿지 컨버터에 출력전압 더블러를 적용하고, 리플 전압을 이용해 영전류 스위칭을 수행하는 컨버터를 제안하였다. 별도의 소자 추가없이 전압 리플만을 이용하여 빠른 출력전류 전환을 이루었고, 순환전류도 줄여주며, 지상 레그 스위치에 중부하에서는 영전류 스위칭을, 경부하에서는 영전압 스위칭을 수행하였다.
일반적으로 PDP 유지 전원회로의 입 력단의 역률개선용 Boost컨버터를 고려하여 AC/DC 역률개선단을 입력전압을 385[Vdc]로 하고, 서스테인 구동을 위한 출력전압을 2050洞하는 410[W]의 실험용 회로를 제작하여 제안된 회로의 분석 및 타당성을 검증하고 실험하였다. 두 개의 트랜스포머의 자화 인덕턴스는 50[%]의부하조건에서 영전압 스위칭으로 전환되도록 선정하였으며, 최대 시비율은 0.
제안된 회로는 그림 1에서처럼 트랜스포머의 2차측에 전압-더블러(Voltage-Doubler)를 적용하여 기존 컨버터囲의 두 배의 입/출력 승압비를 가지게 된다. 따라서 출력 다이오드 D°i과 D°2의 정격 전압을 기존 컨버터의 반으로 줄일 수 있다는 장점을 가진다.
제안된 회로는 기존의 직렬 연결된 두 개의 트랜스포머를 가지는 풀-브릿지 컨버터w와 동일한 트랜스포머의 1차측 구조를 가진다. 스위치 Si, S4가 도통되면 Ti이 트랜스포머로, T2는 출력 인덕터로 동작하고, 반대로 S2, S3가 도통되면.

대상 데이터

4로 계산하여 트랜스포머의 턴비를 결정하였다. 또한 진상 레그 스위치들은 영전류스위칭을 수행하기 때문에 턴오프 손실이 큰 IGBT를이용하였다. 실험에 사용된 설계 사양은 표 1과 같다.

데이터처리

모드 해석을 통해서 제안된 컨버터의 동작 원리에 대해서 살펴보고, 이론적인 동작 및 분석 결과들을 PDP 유지전원에 이용되는 410[W]급 385[Vdc]-205 [Vdc] 시제품 제작을 통해 타당성을 검증하였다.

성능/효과

따라서 출력 다이오드 D°i과 D°2의 정격 전압을 기존 컨버터의 반으로 줄일 수 있다는 장점을 가진다. 또한, 환류구간에서 Vol과 V°2의 전압의 리플차이를 이용해 지상 레그에 영전류 스위칭을 수행함으로써 저가의 고전력밀도 소자인 IGBT의 사용이 가능하게 한다.
별도의 소자 추가없이 전압 리플만을 이용하여 빠른 출력전류 전환을 이루었고, 순환전류도 줄여주며, 지상 레그 스위치에 중부하에서는 영전류 스위칭을, 경부하에서는 영전압 스위칭을 수행하였다. 또한 영전류 스위칭으로 저가의 IGBT 를 이용할 수 있었으며, 기존의 컨버터들에 비해 전부하 구간에서 평평한 효율을 얻을 수 있었다.
하지만기존의 컨버터 2는 작은 자화 인덕턴스를 이용하기 때문에 큰 자화전류 리플을 가지고 되고, 큰 순환전류의손실도 가지게 되어서 부하가 낮아질수록 효율이 떨어지는 단점을 가진다. 이에 반해 제안된 컨버터는 부하가 50[%]이상인 경우에는 영전류 스위칭을, 50[%]이하는 영전압 스위칭을 보장함으로써 넓은 소프트 스위칭범위를 가지고, 큰 자화 인덕턴스(4043H])로 인해 작은 자화전류 리플 및 순환전류에 의한 손실도 줄여 줌으로써 부하에 상관없이 고른 효율특성 및 최대 94.5 [%]의 효율을 얻을 수 있다. 물론, 제안된 컨버터는 최대부하에서의 효율은 기존 컨버터 2에 비해서 떨어지지만, PDP와 같이 화면정보에 따라서 부하의 변동 범위가 넓고 심한 전원에서는 최대부하에서의 최고효율보다 넓은 부하영역에서의 높은 효율이 더 유리하기때문에 제안된 컨버터는 유지구동전원에 더 적합할 것이다.
" data-ocr-fix="">수 있다. 즉, 자화 인덕턴스 값을 줄여서 자화전류의 리플을 자화전류의 오프셋보다 크게 하면 자화 인덕터를이용한 영전압 스위칭도 가능하다는 것이다.

후속연구

5 [%]의 효율을 얻을 수 있다. 물론, 제안된 컨버터는 최대부하에서의 효율은 기존 컨버터 2에 비해서 떨어지지만, PDP와 같이 화면정보에 따라서 부하의 변동 범위가 넓고 심한 전원에서는 최대부하에서의 최고효율보다 넓은 부하영역에서의 높은 효율이 더 유리하기때문에 제안된 컨버터는 유지구동전원에 더 적합할 것이다.
본 논문에서 제안한 컨버터는 부하특성이 넓은 범위를 가지고 빠르게 변화하는 PDP와 같은 디스플레이 전원에 적합할 것이다.

참고문헌 (7)

한상규, 문건우, 윤명중 '플라즈마 디스플레이 패널용 전원회로', 전력전자학회지, Vol. 10, No.3, pp. 21-27, 2005, June

원문보기 상세보기
조규민, 유병규, 문건우, 'PDP 파워 모듈을 위한 브리지 없는 고효율 ZVZCS 역률개선회로', 전력전자학회논문지, Vol. 10, No.3, pp. 226-232, 2005, June

원문보기 상세보기
구관본, 김태성, 문건우, 윤명중 '직렬 연결된 두 개의 트랜스포머를 갖는 새로운 위상천이 풀 브릿지 컨버터', 전력전자학회논문지, Vol. 7, No.5, pp. 443-452, 2002, October

원문보기 상세보기
Eun-Soo Kim, Kee-Yeon Joe, Moon-Ho Kye, Yoon-Ho Kim, and Byung-Bo Yoon, 'An Improved Soft-Switching PWM FB DC/DC Converter for Reducing conduction Losses', IEEE Trans. On Power Elec., Vol. 14, No.2, pp. 258-264, 1999, March

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XinboRuan and Yangguang Yan, 'A Novel Zero-Voltage and Zero-Current-Switching PWM Full-Bridge Converter using Two Diodes in Series with the Lagging Leg', IEEE Trans. On Industrial Elec., Vol. 48, No.4, pp. 777-785, 2001, August

상세보기
Jung-Goo Cho, Chang-Yong Jeong, and Fred C. Y. Lee, 'Zero-Voltage and Zero-Current-Switching Full-Bridge PWM Converter Using Secondary Active Clamp', IEEE Trans. On Power Elec., Vol. 13, No.4, pp. 601-607, 1998, July

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Gwan-Bon Koo, Gun-Woo Moon, and Myung- Joong Youn, 'New Zero-Voltage-Switching Phase-Shift Full-Bridge Converter with Low Conduction Losses', IEEE Trans. On Industrial Elec., Vol. 52, No.1, pp. 228-235, 2005, February

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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