본 논문에서는 고효율 및 고전력밀도의 새로운 주파수 가변형(PFM) 직렬 부스트 캐패시터(SBC) 풀 브리지 DC/DC 컨버터를 제안한다. 제안된 회로는 기존 위상천이 풀 브리지 컨버터와 달리 스위칭 주파수에 따라 직렬 부스트 캐패시터의 전압을 가변하여 출력전압을 제어하는 방식으로, 50% 고정 시비율로 구동되므로 환류구간이 존재하지 않아 도통손실이 작다. 또한 넓은 부하 영역에 대해 영전압 스위칭 동작이 보장되며, 출력 인덕터 전류 리플도 매우 작아 출력 인덕터의 사이즈를 줄일 수 있어 대전류 사양에 매우 적합한 장점을 갖는다. 본 논문에서는 제안된 회로의 이론적 해석 및 PSIM Simulation을 수행하며, 이를 실제로 1.2kW급(12V, 100A) 서버용 컴퓨터 전원장치의 프로토 타입 제작을 통한 실험결과로부터 제안된 회로의 동작특성과 타당성을 검증한다.
본 논문에서는 고효율 및 고전력밀도의 새로운 주파수 가변형(PFM) 직렬 부스트 캐패시터(SBC) 풀 브리지 DC/DC 컨버터를 제안한다. 제안된 회로는 기존 위상천이 풀 브리지 컨버터와 달리 스위칭 주파수에 따라 직렬 부스트 캐패시터의 전압을 가변하여 출력전압을 제어하는 방식으로, 50% 고정 시비율로 구동되므로 환류구간이 존재하지 않아 도통손실이 작다. 또한 넓은 부하 영역에 대해 영전압 스위칭 동작이 보장되며, 출력 인덕터 전류 리플도 매우 작아 출력 인덕터의 사이즈를 줄일 수 있어 대전류 사양에 매우 적합한 장점을 갖는다. 본 논문에서는 제안된 회로의 이론적 해석 및 PSIM Simulation을 수행하며, 이를 실제로 1.2kW급(12V, 100A) 서버용 컴퓨터 전원장치의 프로토 타입 제작을 통한 실험결과로부터 제안된 회로의 동작특성과 타당성을 검증한다.
This paper proposes a new Pulse Frequency Modulation(PFM)-Series Boost Capacitor(SBC) full bridge DC/DC Converter which features a high efficiency and high power density. The proposed converter controls the output voltage by varying the voltage across the series boost capacitor according to switchin...
This paper proposes a new Pulse Frequency Modulation(PFM)-Series Boost Capacitor(SBC) full bridge DC/DC Converter which features a high efficiency and high power density. The proposed converter controls the output voltage by varying the voltage across the series boost capacitor according to switching frequency and has no freewheeling period due to 50% fixed duty operation. As a result, its conduction loss is lower than that of the conventional phase shift full bridge converter. Moreover, ZVS of all power switches can be ensured along wide load ranges and output current ripple is very small. Therefore, it has very desirable merits such as a small output inductor, high efficiency, and improved heat generation. This paper performs a rationale and PSIM simulation of the proposed converter. Finally, experimental results from a 1.2kW(12V, 100A) prototype are presented to confirm the operation, validity and features of the proposed converter.
This paper proposes a new Pulse Frequency Modulation(PFM)-Series Boost Capacitor(SBC) full bridge DC/DC Converter which features a high efficiency and high power density. The proposed converter controls the output voltage by varying the voltage across the series boost capacitor according to switching frequency and has no freewheeling period due to 50% fixed duty operation. As a result, its conduction loss is lower than that of the conventional phase shift full bridge converter. Moreover, ZVS of all power switches can be ensured along wide load ranges and output current ripple is very small. Therefore, it has very desirable merits such as a small output inductor, high efficiency, and improved heat generation. This paper performs a rationale and PSIM simulation of the proposed converter. Finally, experimental results from a 1.2kW(12V, 100A) prototype are presented to confirm the operation, validity and features of the proposed converter.
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문제 정의
뿐만 아니라, 낮은 부하조건에서 지상레그 스위치의 영 전압 스위칭이 보장되지 못하여 스위칭 손실이 크고 EMI 측면에서도 불리하다. 따라서 본 논문에서는 환류 구간이 없고, 출력 인덕터 전류 리플이 작아 대용량에 적합한 새로운 전력변환 회로를 제안한다.
본 논문에서는 대용량 DC/DC 컨버터의 고효율화를 위한 새로운 주파수 가변형(PFM) 직렬 부스트 캐패시터(SBC) 풀 브리지 DC/DC 컨버터를 제안하였다. 제안된 회로는 50%고정 시비율로 구동되며, 스위칭 주파수를 조절하여 출력전압을 제어하는 것이 특징이다.
가설 설정
- 누설 인덕터 Lk는 자화 인덕터 Lm에 비해 무시할 수 있을 만큼 작다.
- 스위치 Mi과 Ms 또는 Nb와 NU사이의 Dead Time 은 무시할 수 있을 만큼 작다.
- 입력 및 출력전압은 Vin 및 /로 일정하다.
제안 방법
그림에서 보인바와 같이 주파수가 작을수록 면적 A보다 면적 B가 더 커지게 되어 Vrec의 출력전압은 증가하게 된다. 결국 제안된 회로는 면적 A와 면적 B 의 크기를 주파수에 따라 가변함으로써 출력전압을 Re筮ulation 하게 된다.
앞서 설명한 해석을 바탕으로 주파수 가변형(PFM)- 직렬 부스트 캐패시터(SBC) 풀 브리지 DC/DC 컨버터의 설계 절차를 제시한다.
위 모의실험과 마찬가지로 1.2kW급 서버용 컴퓨터 전원 장치의 프로토 타입을 제작하여 실험을 수행하였으며, 실험에 사용된 긱, 부 사양 및 소자 parameter는 위 모의실험의 설계사양과 동일하다. 1.
제안된 회로는 50%고정 시비율로 구동되며, 스위칭 주파수를 조절하여 출력전압을 제어하는 것이 특징이다. 따라서 환류구간이 존재하지 않아 효율 및 발열 특성이 우수하고 출력 인덕터 전류 리플 또한 매우 작다.
나타내고 있다. 제안된 회로는 트랜스포머와 직렬로 부스트 캐패시터가 연결되어 있으며, 주파수 변동에 따라 부스트 캐패시터의 전압을 조정하여 출력전압을 제어한다. 또한 일반적인 PFM 방식의 LLC 공진형 컨버터와 다르게 출력 인덕터가 존재하며, 출력 인덕터 전류 리플이 작아 기존 위상천이 풀 브리지 컨버터에 비해 소자 전류 스트레스 측면에서 매우 유리할 뿐만 아니라 출력 인덕터의 사이즈를 줄일 수 있어 대전류 사양에서 매우 유리한 장점을 갖는다.
결과를 나타내고 있다. 최대 부하시 스위칭 주파수 fsw, 자화인덕턴스 Lm, 출력 인덕터 Lo가 동일한조건하에 모의실험을 수행하여 그 결과를 비교하였다. 모의실험결과 기존 위상천이 풀 브리지 컨버터는 0.
대상 데이터
모의실험조건은 1.2kW급 서버용 컴퓨터 전원장치를 대상으로 하며, 아래 표 1에 설계 사양을 나타내고 있다.
상기의 설계 절차에 따른 제안회로(PFM-SBC FB) 의 설계 Tool 및 그 결과를 그림 9에 보이고 있으며, 1.2kW급 서버용 컴퓨터 전원장치를 대상으로 설계 parameter를 도출하였다.
따라서 환류구간이 존재하지 않아 효율 및 발열 특성이 우수하고 출력 인덕터 전류 리플 또한 매우 작다. 이를 확인하기 위해 1.2kW급 서버용 컴퓨터 전원 장치를 대상으로 PSIM simulation 및 실제실험을 수행하였다. 실험결과 제안된 회로는 최대 부하(100A)의 경우에서도 96.
데이터처리
제안된 회로의 동작원리 및 타당성을 검증하기 위하여 PSIM tool을 사용한 모의실험을 수행하였다. 모의실험조건은 1.
이론/모형
2kW급 서버용 컴퓨터 전원장치의 경우 출력전압이 낮고, 출력전류가 매우 크므로, 고전력밀도화및 고효율화를 위해서는 출력 인덕터 전류의 리플이 작아야 하며, 트랜스포머의 최적 설계가 필요하다. 따라서 트랜스포머의 경우 1차 권선과 2차 권선간의 근접효과를 상쇄시키기 위한 Sandwich 권선법을 적용하였으며, Core는 EI3329 2개를 사용하였다. 또한 대출력전류 시스템의 고효율화를 위해서 Center-Tap 방식의 정류기를 사용하였으며, 각각 4개씩의 동기정류기를 병렬로 사용하였다.
따라서 트랜스포머의 경우 1차 권선과 2차 권선간의 근접효과를 상쇄시키기 위한 Sandwich 권선법을 적용하였으며, Core는 EI3329 2개를 사용하였다. 또한 대출력전류 시스템의 고효율화를 위해서 Center-Tap 방식의 정류기를 사용하였으며, 각각 4개씩의 동기정류기를 병렬로 사용하였다. 출력 인덕터의 경우 권선에서의 저항손실을 줄이기 위해, 고투 자율의 toroidal core를 사용하여 권선의 길이를 최소화하였다.
성능/효과
62A로 작게 측정됨을 알 수 있다. 또한 동일한 1.8uH의 출력 인덕터를 사용했을 때 출력 인덕터 전류 리플의 경우, 제안된 회로는 8.48A로 기존 위상 천이 풀 브리지 컨버터의 25A에 비해 상당히 작음을 알 수 있다.
이론적 파형과 잘 부합함을 알 수 있으며, 20A 〜 100A 의 부하 전류 범위에서 스위칭 주파수 가변범위는 59khz ~ 71khz으로 측정되어, 주파수 가변 범위가 넓지 않음을 확인할 수 있다. 또한, 그림에서 알 수 있듯이, 1 차 측 전류의 offset 및 환류구간이 존재하지 않으며, 최대 부하 시(100A) 1차 측 전류의 Peak는 4.3A 이고, RMS치는 3.557A로 모의실험과 유사함을 확인하였다.
최대 부하시 스위칭 주파수 fsw, 자화인덕턴스 Lm, 출력 인덕터 Lo가 동일한조건하에 모의실험을 수행하여 그 결과를 비교하였다. 모의실험결과 기존 위상천이 풀 브리지 컨버터는 0.2Ts의 환류구간이 존재하고, 이로 인해 1차 측 전류의 Peak치가 7.18A로 측정되었으며, 제안된 회로는 4.62A로 작게 측정됨을 알 수 있다. 또한 동일한 1.
2kW급 서버용 컴퓨터 전원 장치를 대상으로 PSIM simulation 및 실제실험을 수행하였다. 실험결과 제안된 회로는 최대 부하(100A)의 경우에서도 96.57%의 고효율을 보임으로써, 제안된 회로가 대용량에 매우 적합함을 확인하였다.
2kW 서버용 컴퓨터 전원장치에서는 30A의 spec.으로 출력 인덕터 전류 리플을 제한하고 있으며, 제안된 회로의 경우 1.8uH의 출력 인덕터를 사용하였을 경우, 최대 부하시 출력 인덕터 전류 리플이 12.9A로 측정되어 소자 전류 스트레스 측면에서 매우 유리함을 알 수 있다. 또한, 출력 인덕터의 권선에서 발생하는 저항손실을 줄이기 위해서 출력 인덕턴스 값을 luH로 줄였을 경우, 출력 인덕터 전류 리플은 17.
이론적 파형과 잘 부합함을 알 수 있으며, 20A 〜 100A 의 부하 전류 범위에서 스위칭 주파수 가변범위는 59khz ~ 71khz으로 측정되어, 주파수 가변 범위가 넓지 않음을 확인할 수 있다. 또한, 그림에서 알 수 있듯이, 1 차 측 전류의 offset 및 환류구간이 존재하지 않으며, 최대 부하 시(100A) 1차 측 전류의 Peak는 4.
특히 기존 위상천이 풀 브리지 컨버터가 위상 차이에 따른 펄스 폭 제어를 통해 출력전압을 제어하는데 반해, 제안된 PFM SBC 풀 브■리지 컨버터는 50% 고 정시 비율을 가지고 주파수 변동에 따라 출력전압을 제어하는 것이 특징이다. 따라서 넓은 부하 영역에서 영 전압 스위칭이 가능하며, 환류구간이 존재하지 않아 효율 및 발열 측면에서 매우 유리하다.
7〜2%가량 효율이 우수함을 알 수 있다. 특히 최대 부하(100A)의 경우에서도 96.57%의 고효율로 대용량에 매우 적합함을 확인하였다.
있다. 효율 측정 결과 20% 이상의 모든 부하 조건에서 96%가 넘는 고효율을 획득할 수 있었으며, 기존위상 천이 풀 브리지 컨버터에 비해 1.7〜2%가량 효율이 우수함을 알 수 있다. 특히 최대 부하(100A)의 경우에서도 96.
참고문헌 (6)
Chris Calwell, 'AC-DC Server Power Supplies: Making the Leap to Higher Efficiency', Proceedings of the IEEE, APEC 2005, Vol. 1, pp. 155-158, 2005, March
Dong Li, "'Comparison of Three Front-end DC-DC Converters for 1200W Server Power Supply', Proceedings of the IEEE, PESC 2005, pp. 394-398, 2005, Sept
Richard Redl, 'A Novel Soft-Switching Full-Bridge DC/DC Converter: Analysis, Design Considerations, and Experimental Results at 1.5 kW, 100kHz', Proceedings of the IEEE, Vol. 6, Issue 3, pp. 408-418, 1991, July
Bo yang, 'Topology investigation for front end DC/DC power conversion for distributed power system', Virginia Polytechnic Institute and State University, pp. 94-116, 2003
J.M. Zhang, X.G Xie, X.K. Wu, Zhaoming Qian, ' Comparison study of phase-shifted full bridge ZVS converters', Proceedings of the IEEE, PESC 04, pp. 533-539, 2004, June
M.M. Walters, W.M. Polivkq, 'Extending the range of Soft-Switching in Resonant-Transition DC-DC Converter', Proceedings of the IEEE, IEEE INTELEC '92, pp. 343-350, 1992, Oct
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