[논문]위상제어방식 풀브릿지 컨버터의 전력손실과 변환효율 분석에 관한 연구

안태영; 봉상철; 허태원

위상제어방식 풀브릿지 컨버터의 전력손실과 변환효율 분석에 관한 연구
A Study on the Power Losses and Conversion Efficiency Analysis for the Phase-Shift Controlled Full-Bridge Converter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.14 no.3, 2009년, pp.228 - 234

안태영 (청주대 전자정보공학부) , 봉상철 (삼성전기 파워사업팀) , 허태원 (삼성전기 파워사업팀)

초록
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본 논문에서는 위상제어방식 풀브릿지 컨버터의 회로방식에 대한 전력손실과 전력변환 효율특성을 빠르고 효과적인 분석 방법에 대해 보고한 것이다. 위상제어방식 풀브릿지 컨버터의 회로 구성 소자 중에서 내부 기생저항만을 고려한 등가회로를 유도하고 이상적인 동작 파형을 이용하여 전류의 실효값과 전도손실을 유도하였다. 해석을 간단하게 하기 위해서 정상상태 결과로부터 코어 손실은 무시하였으며, 동기정류기 손실과 전도손실 만을 고려하였다. 해석결과의 타당성을 검토하기 위해서 시험용 위상제어방식 풀브릿지 컨버터를 구성하여 검증하였다. 입력전압 400V, 출력전압 12V, 최대전력 720W의 조건에서 실험결과와 해석결과와 비교적 잘 일치한다는 것을 본 논문에서 확인 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we present an analytical method that provides fast and efficient evaluation of the power losses and the conversion efficiency for phase-shift controlled full-bridge converter. In the proposed method, the conduction losses are evaluated by calculating the effective values of the ideal current waveform first and incorporating them into an exact equivalent circuit model of the phase-shift controlled full-bridge converter that includes all the parasitic resistances of the circuit components. While the conduction losses are accurately accounted for the synchronous rectification, the core losses are assumed to be negligible in order to simplify the analysis. The validity and accuracy of the proposed method are verified with experiments on a prototype phase-shift controlled full-bridge converter. An excellent correlation between the experiments and theories are obtained for the input voltages of 400V, output voltage 12V and maximum power 720W.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 위상제어 방식의 영전압 스위칭 풀브릿지 컨버터의 효율특성에 대해 전력 손실 특성을 분석하고 실험결과와 비교하고 그 결과를 보고하였다. 먼저 기존회로에서 내부손실이 없는 이상적인 등가회로를 유도하고 스위칭 동작 파형을 이용하여 주요부분에 대한 전류의 실효값을 유도하였다.
본 논문에서는 위상제어방식의 영전압 스위칭 풀브릿지 DC-DC 컨버터의 회로방식에 대한 내부 전도손실과 전력변환 효율 특성을 빠르고 효과적으로 분석할 수 있는 방법에 대해 보고하였다. 먼저 기본회로에서 내부손실이 없는 이상적인 등가회로를 유도하고 정상상태에서 주요 부분에 대한 전류의 실효값을 유도하였다.

가설 설정

이 때 온저항은 기본적으로 게이트 구동전압과 드레인 전압에 의존하지만 본 논문에서는 해석을 간단히 하기 위해서 제조사에서 제공하는 온저항 그래프를 참조하였으며 표 4에 사용된 파라미터를 정리하여 나타내었다. 계산과정을 단순화시키기 위해서 변압기와 인덕터의 코어손실과 제어회로의 전력손실은 부하전류와 관계없이 일정하다고 가정하였다. 특히 실험회로의 제어회로와 보호회로용 전원공급을 위해 플라이백 컨버터를 구성하여 내부전원으로 사용하였으며, 본 논문에서 고려하지 못했던 스위칭 손실과 변압기, 인덕터 손실을 기타 손실 P_UL로 가정하였다.
앞 절에서 구한 위상제어방식의 풀브릿지 컨버터의 내부손실과 전력변환 효율을 검증하기 위해서 다음과 같은 컨버터의 사양의 실험회로를 구성하였다. 시험용 풀브릿지 컨버터는 서버용 전원장치에서 적용되는 전기 사양으로 정하였으며 컨버터의 입력단은 능동 정류기에 의해 교류를 정류한 비교적 안정된 직류전원이라고 가정하여 400V로 정하였으며, 출력전압은 12V, 출력전류는 최대 60A, 최대출력은 720W, 스위칭 주파수는 100kHz이다. 시험용 컨버터의 설계는 기존 설계 방법을 사용하였으며 변압기와 인덕터의 권선 사양을 표 3에 정리하여 나타내었다^[6].
계산과정을 단순화시키기 위해서 변압기와 인덕터의 코어손실과 제어회로의 전력손실은 부하전류와 관계없이 일정하다고 가정하였다. 특히 실험회로의 제어회로와 보호회로용 전원공급을 위해 플라이백 컨버터를 구성하여 내부전원으로 사용하였으며, 본 논문에서 고려하지 못했던 스위칭 손실과 변압기, 인덕터 손실을 기타 손실 P_UL로 가정하였다.

제안 방법

먼저 기본회로에서 내부손실이 없는 이상적인 등가회로를 유도하고 정상상태에서 주요 부분에 대한 전류의 실효값을 유도하였다. 다음에는 이상적인 등가회로에 내부손실 저항을 삽입하고 전류의 실효값으로부터 주요 소자의 내부 전도 손실을 계산하였다.
본 논문에서는 위상제어방식의 영전압 스위칭 풀브릿지 DC-DC 컨버터의 회로방식에 대한 내부 전도손실과 전력변환 효율 특성을 빠르고 효과적으로 분석할 수 있는 방법에 대해 보고하였다. 먼저 기본회로에서 내부손실이 없는 이상적인 등가회로를 유도하고 정상상태에서 주요 부분에 대한 전류의 실효값을 유도하였다. 다음에는 이상적인 등가회로에 내부손실 저항을 삽입하고 전류의 실효값으로부터 주요 소자의 내부 전도 손실을 계산하였다.
본 논문에서는 위상제어 방식의 영전압 스위칭 풀브릿지 컨버터의 효율특성에 대해 전력 손실 특성을 분석하고 실험결과와 비교하고 그 결과를 보고하였다. 먼저 기존회로에서 내부손실이 없는 이상적인 등가회로를 유도하고 스위칭 동작 파형을 이용하여 주요부분에 대한 전류의 실효값을 유도하였다. 이상적인 등가 회로에 내부손실 저항을 삽입하고 전류의 실효값으로 부터 주요소자의 전도손실을 계산하여 컨버터의 전력 변환손실과 효율을 빠르고 간단하게 추정할 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 실험회로의 내부 전력손실의 주요원인으로 작용하는 전도손실을 앞 절에서 구한 내부저항과 전류의 실효값에 의한 전도손실과 비교하기 위해서 그림 6과 같은 내부손실을 기본 회로에 추가하였다. 변압기와 인덕터의 내부저항은 Agilent사의 멀티미터 34401A를 이용하여 4선식 저항계측 방법으로 측정하였으며, 스위치와 직렬저항은 각 스위치 소자로 사용된 MOSFET의 온저항 데이터를 참고하였다.
시험용 컨버터의 설계는 기존 설계 방법을 사용하였으며 변압기와 인덕터의 권선 사양을 표 3에 정리하여 나타내었다^[6]. 시험용 컨버터의 2차측 전류가 비교적 크기 때문에 2차측 정류기 손실을 저감시키기 위해서 다이오드 대신에 낮은 온저항 특성의 MOSFET를 이용하는 동기정류기를 사용하였다. 동기 정류기는 Siliconix사의 MOSFET SI7478 4개를 병렬로 사용하였으며 1차 측 주스위치는 Infinion사의 SPP20N60C3을 한 개씩 사용하였다.
변압기와 인덕터의 내부저항은 Agilent사의 멀티미터 34401A를 이용하여 4선식 저항계측 방법으로 측정하였으며, 스위치와 직렬저항은 각 스위치 소자로 사용된 MOSFET의 온저항 데이터를 참고하였다. 이 때 온저항은 기본적으로 게이트 구동전압과 드레인 전압에 의존하지만 본 논문에서는 해석을 간단히 하기 위해서 제조사에서 제공하는 온저항 그래프를 참조하였으며 표 4에 사용된 파라미터를 정리하여 나타내었다. 계산과정을 단순화시키기 위해서 변압기와 인덕터의 코어손실과 제어회로의 전력손실은 부하전류와 관계없이 일정하다고 가정하였다.
먼저 기존회로에서 내부손실이 없는 이상적인 등가회로를 유도하고 스위칭 동작 파형을 이용하여 주요부분에 대한 전류의 실효값을 유도하였다. 이상적인 등가 회로에 내부손실 저항을 삽입하고 전류의 실효값으로 부터 주요소자의 전도손실을 계산하여 컨버터의 전력 변환손실과 효율을 빠르고 간단하게 추정할 수 있도록 하였다. 해석결과의 타당성을 검토하기 위해서 서버용 전원장치에서 사용되는 전기적 사양으로부터 시험용 위상제어방식 풀브릿지 컨버터를 구성하여 검증하였다.
해석결과의 타당성을 검토하기 위해서 서버용 전원장치에서 사용되는 전기적 사양으로부터 시험용 위상제어방식 풀브릿지 컨버터를 구성하여 검증하였다. 입력전압 400V, 출력전압 12V, 최대전력 720W의 조건에서 실험결과와 해석결과를 비교하였다.
이상적인 등가 회로에 내부손실 저항을 삽입하고 전류의 실효값으로 부터 주요소자의 전도손실을 계산하여 컨버터의 전력 변환손실과 효율을 빠르고 간단하게 추정할 수 있도록 하였다. 해석결과의 타당성을 검토하기 위해서 서버용 전원장치에서 사용되는 전기적 사양으로부터 시험용 위상제어방식 풀브릿지 컨버터를 구성하여 검증하였다. 입력전압 400V, 출력전압 12V, 최대전력 720W의 조건에서 실험결과와 해석결과를 비교하였다.

대상 데이터

시험용 컨버터의 2차측 전류가 비교적 크기 때문에 2차측 정류기 손실을 저감시키기 위해서 다이오드 대신에 낮은 온저항 특성의 MOSFET를 이용하는 동기정류기를 사용하였다. 동기 정류기는 Siliconix사의 MOSFET SI7478 4개를 병렬로 사용하였으며 1차 측 주스위치는 Infinion사의 SPP20N60C3을 한 개씩 사용하였다. 주스위치의 PWM 제어는 대표적인 위상제어 소자인 UCC3895를 이용하였다.
동기 정류기는 Siliconix사의 MOSFET SI7478 4개를 병렬로 사용하였으며 1차 측 주스위치는 Infinion사의 SPP20N60C3을 한 개씩 사용하였다. 주스위치의 PWM 제어는 대표적인 위상제어 소자인 UCC3895를 이용하였다.

데이터처리

해석 방법의 타당성을 검토하기 위해서 입력전압 400V, 출력전압 12V, 최대전력 720W의 위상제어 방식의 풀브릿지 컨버터를 구성하여 해석 결과와 비교 하였다. 그 결과 본 논문에서 유도된 전류의 실효값과 내부저항을 이용하게 되면 코어손실과 스위칭손실을 고려한 기타 손실이 일정하게 유지되었을 때 이론효율과 실험효율이 유사한 추세를 보이고 있으며, 컨버터의 내부 전도손실을 비교적 일정한 오차 범위 내에서 추정할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

이론/모형

본 논문에서는 실험회로의 내부 전력손실의 주요원인으로 작용하는 전도손실을 앞 절에서 구한 내부저항과 전류의 실효값에 의한 전도손실과 비교하기 위해서 그림 6과 같은 내부손실을 기본 회로에 추가하였다. 변압기와 인덕터의 내부저항은 Agilent사의 멀티미터 34401A를 이용하여 4선식 저항계측 방법으로 측정하였으며, 스위치와 직렬저항은 각 스위치 소자로 사용된 MOSFET의 온저항 데이터를 참고하였다. 이 때 온저항은 기본적으로 게이트 구동전압과 드레인 전압에 의존하지만 본 논문에서는 해석을 간단히 하기 위해서 제조사에서 제공하는 온저항 그래프를 참조하였으며 표 4에 사용된 파라미터를 정리하여 나타내었다.
시험용 풀브릿지 컨버터는 서버용 전원장치에서 적용되는 전기 사양으로 정하였으며 컨버터의 입력단은 능동 정류기에 의해 교류를 정류한 비교적 안정된 직류전원이라고 가정하여 400V로 정하였으며, 출력전압은 12V, 출력전류는 최대 60A, 최대출력은 720W, 스위칭 주파수는 100kHz이다. 시험용 컨버터의 설계는 기존 설계 방법을 사용하였으며 변압기와 인덕터의 권선 사양을 표 3에 정리하여 나타내었다^[6]. 시험용 컨버터의 2차측 전류가 비교적 크기 때문에 2차측 정류기 손실을 저감시키기 위해서 다이오드 대신에 낮은 온저항 특성의 MOSFET를 이용하는 동기정류기를 사용하였다.

성능/효과

해석 방법의 타당성을 검토하기 위해서 입력전압 400V, 출력전압 12V, 최대전력 720W의 위상제어 방식의 풀브릿지 컨버터를 구성하여 해석 결과와 비교 하였다. 그 결과 본 논문에서 유도된 전류의 실효값과 내부저항을 이용하게 되면 코어손실과 스위칭손실을 고려한 기타 손실이 일정하게 유지되었을 때 이론효율과 실험효율이 유사한 추세를 보이고 있으며, 컨버터의 내부 전도손실을 비교적 일정한 오차 범위 내에서 추정할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 결과적으로는 특정 소자의 내부 저항 값이 변화 되는 경우 전력변환 효율, 입력전력, 내부손실 등과 같은 설계특성 값에 어떤 영향을 미치는지 정량적으로 평가할 수 있게 되어 소자의 선정이나 변압기 권선 수 등을 결정할 때 판단 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

그림 7의 비교 그래프의 결과로부터 앞 절에서 유도된 위상제어 방식의 풀브릿지 컨버터의 전류의 실효값과 내부저항을 이용한 간이 해석 방법은 컨버터의 내부 전도손실을 비교적 일정한 오차 범위 내에서 추정할 수 있다는 것을 알 수 있다. 결과적으로는 특정 소자의 내부 저항 값이 변화 되는 경우 전력변환 효율, 입력전력, 내부손실 등과 같은 설계특성 값에 어떤 영향을 미치는지 정량적으로 평가할 수 있게 되어 소자의 선정이나 변압기 권선 수 등을 결정할 때 판단자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
그림 7의 비교 그래프의 결과로부터 앞 절에서 유도된 위상제어 방식의 풀브릿지 컨버터의 전류의 실효값과 내부저항을 이용한 간이 해석 방법은 컨버터의 내부 전도손실을 비교적 일정한 오차 범위 내에서 추정할 수 있다는 것을 알 수 있다. 결과적으로는 특정 소자의 내부 저항 값이 변화 되는 경우 전력변환 효율, 입력전력, 내부손실 등과 같은 설계특성 값에 어떤 영향을 미치는지 정량적으로 평가할 수 있게 되어 소자의 선정이나 변압기 권선 수 등을 결정할 때 판단자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
결과적으로는 특정 소자의 내부 저항 값이 변화 되는 경우 전력변환 효율, 입력전력, 내부손실 등과 같은 설계특성 값에 어떤 영향을 미치는지 정량적으로 평가할 수 있게 되어 소자의 선정이나 변압기 권선 수 등을 결정할 때 판단 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 끝으로 변압기와 인덕터의 코어 손실 및 스위칭 손실 등 기타 손실을 고려한 해석은 향후 연구 과제로 수행 할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	위상제어 방식의 영전압 스위칭 풀브릿지 컨버터의 장점은 무엇인가?	또한 중대형 컴퓨터에서 사용되는 대용량의 전원장치의 경우에는 전력변환 효율뿐만 아니라 전원장치의 사이즈가 제한 받게 되어 제품 개발 단계에서 체적과 부피, 무게를 줄일 수 있는 설계와 제조방법이 절실히 요구 되고 있다[1-3]. 위상제어 방식의 영전압 스위칭 풀브릿지 컨버터는 네 개의 스위치를 사용하여 전력을 분담하고, 스위치의 최대 정격전압이 입력전압으로 제한되며 하프브릿지 등의 다른 회로방식에 비해 전압 스트레스가 낮기 때문에 낮은 전도손실 특성의 반도체 스위치를 이용할 수 있고, 내부 전력손실이 저감되어 결과적으로는 전력변환 효율을 개선시켜 시스템의 신뢰성을 향상시켜준다[4,5]. 그러나 회로의 동작이 비교적 복잡하기 때문에 컨버터의 설계 시 정량적인 비교 대상인 전력변환 손실과 효율을 분석하기 위해서 설계시간이 증가하는 단점이 있었다.
	왜 스위칭 전원장치는 반드시 전력손실이 발생하게 되는가?	전자기기 등에 안정된 전압을 제공하는 스위칭 전원장치는 전력을 변환시키는 장치이므로 반드시 전력손실이 발생하게 된다. 특히 전력변환 효율이 낮아지는 경우에는 전력손실은 발생 열에 비례하며, 경우에 따라서는 제품의 수명을 단축시키는 요인이 된다.
	스위칭 전원장치의 전력변환 효율이 낮아지는 경우에는 전력손실은 무엇에 비례하는가?	전자기기 등에 안정된 전압을 제공하는 스위칭 전원장치는 전력을 변환시키는 장치이므로 반드시 전력손실이 발생하게 된다. 특히 전력변환 효율이 낮아지는 경우에는 전력손실은 발생 열에 비례하며, 경우에 따라서는 제품의 수명을 단축시키는 요인이 된다. 또한 중대형 컴퓨터에서 사용되는 대용량의 전원장치의 경우에는 전력변환 효율뿐만 아니라 전원장치의 사이즈가 제한 받게 되어 제품 개발 단계에서 체적과 부피, 무게를 줄일 수 있는 설계와 제조방법이 절실히 요구 되고 있다[1-3].

참고문헌 (9)

Wilson Eberle, Yongtao Han, Yan-Fei Liu and Sheng Ye, 'An Overall Study of the Asymmetrical Half-Bridge with Unbalanced Transformer Turns under Current Mode Control', IEEE PESC, pp. 1083-1089. 2004
J.J. Shieh, 'Realisation of the zero-voltage switching condition for asymmetrical half-bridge DC/DC forward converters', IEEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 153, No. 1, pp. 23-30, 2006, January

상세보기
Nasser H. Kutkut, Deepakraj M. Divan, Randal W. Gascoigne, 'An improved full-bridge zero-voltage switching PWM converter using a two-inductor rectifier', IEEE trans. on industry application, Vol. 31. No. 1, pp. 119-126, 1995

상세보기
Yungtaek Jang, Milan M. Jovanovic, Yu-Ming Chang, 'A New ZVS-PWM Full-Bridge Converter', IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 18, No. 5, pp. 1122-1129, 2003

상세보기
Alfred Fiedler, Horst Grotstollen, 'Asymmetrical phase-shifted full bridge', IEEE PESC, pp. 2408-2413, 1995
Song-Yi Lin and Chern-Lin Chen, 'Analysis and Design for RCD Clamped Snubber Used in Output Rectifier of Phase-Shift Full-Bridge ZVS Converters', IEEE Trans. on Industry Application, Vol. 45. No. 2, pp. 358-359, 1998
박노식, 권순재, 박성준, '가변 위상변위 스위칭방식을 적용한 연료전지용 변압기 직렬형 DC/DC 컨버터', 전력전자학회 논문지, 제13권, 제6호, pp. 461-468, 2008. 12

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노민식, '병렬제어를 적용한 8㎾급 영전압/영전류 풀 브릿지 DC-DC 컨버터 개발', 전력전자학회 논문지, 제12권, 제5호, pp. 400-408, 2007. 10
Jeong-Gyu Lim, Se-Kyo Chung, 'Digital Control of Phase-Shifted Full-Bridge PWM Converter', Journal of Power Electronics, Vol. 8 No. 3, pp. 201-209, 2008. 7

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저자의 다른 논문 :

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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