[논문]Full-bridge Converter의 새로운 ZVS 스위칭 기법

김승룡; 선한걸; 한만승; 박성준

doi:10.6113/tkpe.2011.16.5.477

Full-bridge Converter의 새로운 ZVS 스위칭 기법
Novel ZVS Switching Method of Full-bridge Converter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.16 no.5, 2011년, pp.477 - 483

김승룡 (고아정공 모터기술연구소) , 선한걸 (고아정공 모터기술연구소) , 한만승 (고아정공 모터기술연구소) , 박성준 (전남대 전기공학과)

초록
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일반적인 DC/DC 전력변환기의 스위칭 방식은 하드 스위칭 방식과 공진을 이용한 소프트 스위칭 방식으로 분류할 수 있으며, 하드 스위칭 방식은 스위치의 턴 온/오프시 스위칭 소자에 생기는 전력손실이 커서 효율 면에서 불리하며, 공진형 소프트 스위칭 방식은 별도의 리액터와 커패시터를 추가함으로서 시스템의 사이즈와 비용이 증가하는 단점이 있다. 본 논문에서는 이러한 단점을 극복하기 위해 새로운 스위칭 방식의 소프트 스위칭 방식의 Full-bridge 전력변환기의 구조를 제안하였으며, 제안된 소프트 스위칭 방식은 앞단의 벅 컨버터의 다이오드 전류시 영전압이 되는 구간에서 Full-Bridge 컨버터의 스위치를 교변 함으로써 리액터와 커패시터의 추가없이 소프트 스위칭을 이루어냄으로서 시스템의 효율과 신뢰성을 향상시킨다. 또한 제안된 절연형 소프트 Full-bridge DC/DC 컨버터의 타당성을 검증하기 위해 Psim을 이용한 시뮬레이션과 500[W]급 DC/DC 컨버터를 제작하여 DC/DC 컨버터의 효율이 우수함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Existing switching system that is one of the ways which are used for DC/DC power converter is classified to hard-switching system and resonant-soft-switching system, generally. Hard-switching system is inefficient because the power loss of the switching element is large when it is been to trun on or turn off. And resonant-soft-switching system have the defect that need to add the another reactor and capacitor that make it expensive and huge. This paper suggest the ZVS Full-Bridge power converter contrcution of novel switching system for the overcoming these shortcomings. In Suggested soft-switching system, the front of buck converter at diode current, switch is changing on and off at the part of full-bridge converter's zero voltage part. as the result that is possible to be ZVS excepting the reactor and capacitor. also to verify the reasonability of the isolated ZVS full-bridge DC/DC converter as previously suggested, we produced the 500[W] level DC/DC converter and enforced the simulation for Psim, and then it able to conform the superiority of the DC/DC converter's efficient.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 하드스위칭과 공진형 컨버터의 스위칭 기법의 단점을 보완하기 위해 소프트 스위칭 기법을 이용하여 새로운 절연형 DC-DC 컨버터 토폴로지를 제안하였다. 제안한 컨버터는 앞단의 Buck-type 컨버터를 이용한 Full-bridge 컨버터의 소프트 스위칭을 구현하였으며, 이로 인하여 Full-bridge는 압전압이 zero영역이 존재하며 이 때 Full-bridge 컨버터의 스위치 전환신호를 발생함으로 Full-bridge컨버터의 Dead-time이 필요하지 않는 잠점이 있다.

제안 방법

그림 1은 제안된 컨버터의 블록다이어그램으로 Buck/SR 스위치와, Full-bridge부, 변압기부, DIODE 정류부로 연결되는 구조로 되어있으며, 기존의 Full-bridge 컨버터의 회로에 직렬로 Buck컨버터의 구조를 추가하여 Full-bridge 스위치가 ZVS 동작을 이룰 수 있도록 하였다. 기본적인 동작은 직렬로 연결된 Buck 스위치가 Off 되었을 때 Full-bridge 스위치가 턴 온/오프 하여 스위치 전압이 0인 상태에서 스위칭을 하게하는 구조이다.
그림 2는 본 논문에서 제안한 절연형 DC-DC컨버터의 기존구조를 나타내고 있으며, 변압기 1차 측에 연결된 Full-bridge 컨버터는 전압제어를 하지 않고 단순히 절연을 위한 소프트 컨버터로 동작하며, Full-bridge 컨버터의 앞단에 연결된 Buck-type 컨버터에서 전압제어를 행하게 된다. 또한 Buck-type 컨버터 구조의 다이오드 동작영역인 SW₂는 Buck컨버터의 스위치에 해당하는 SW₁이 Off될시 Full-bridge의 암전압이 0이 되는 것을 보장하기 위해 동기형 컨버터 방식을 적용하였으며, 이 스위치 소자를 MOSFET 소자를 사용함으로써 전류시 다이오드의 전압강하를 적게 할 수 있어 SW₂의 도통손실을 저감할 수 있는 구조로 구성하였다. 본 시스템에서 Buck-type 컨버터는 기존의 동기형 컨버터에서 L-C필터를 제거함으로써 SW₂가 On시 Full-bridge 컨버터의 암 전압이 zero가 됨으로써 이때 Full-bridge 컨버터의 스위치를 절체 한다면 소프트 스위칭이 가능한 구조이다.
벅 컨버터의 스위칭 주파수를 Full-bridge 컨버터의 스위칭 주파수에 비해 두 배의 주파수로 동작하게 하여 Full-bridge 컨버터의 소프트 스위칭을 구현하였다.
이러한 토폴로지를 적용한다면 DC-DC 컨버터 전체 스위치가 소프트 스위칭이 가능한 구조이다. 본 논문에서 제안하는 DC-DC 컨버터의 포인터는 Full-bridge 컨버터 앞단에 직렬로 Buck 컨버터를 연결하면 Full-bridge 컨버터에서는 부하에 관계없이 전 영역에서 소프트 스위칭이 가능함을 입증하는 것으로 Buck-type 컨버터는 하드 스위칭 방식으로 구성하였다.
본 논문에서는 새로운 개념을 도입한 DC/DC 컨버터 전력변환기의 구조를 제안하였으며, Full-bridge 컨버터의 전압스트레스 저감을 위해 벅 컨버터의 다이오드 전류시 Full-bridge의 암(Arm) 전압이 0(zero)이 되는 구간에 Full-bridge 스위치 소자를 턴 온/오프 시킴으로써 ZVS 스위칭이 이루어지는 컨버터를 제안하였다. 이러한 스위칭 방식은 1차측 Full-bridge 컨버터와 직렬로 연결된 Buck 컨버터의 스위치를 사용하여 Full-bridge 암 양단의 전압이 0인 순간에 각 스위치의 상태 변화가 되도록 하는 새로운 개념의 소프트 방식으로서 Buck 컨버터의 리액터와 커패시터 제거를 통하여 시스템의 신뢰성과 전력손실을 저감시켜주는 전력변환 시스템이다.
그림 5는 DC/DC 컨버터의 시스템 시뮬레이션 블록도를 나타낸다. 시뮬레이션은 Psim으로 행하였으며, 시뮬레이션 블록도에는 Buck/SR 스위치 부, 다이오드 정류방식을 적용한 Full-bridge 컨버터 부, DC-DC 컨버터의 스위칭 신호 발생을 위한 dll파일 부로 크게 3부분으로 나누어진다.

대상 데이터

그림 8은 개발된 DC-DC 전력변환기를 나타내고 있다. 제어기는 AVR(ATMEGA2560)을 사용하였다.

성능/효과

제안된 방식에 대한 타당성 검증을 위해 Psim을 이용한 시뮬레이션을 수행하였으며, 시뮬레이션 결과 Full-bridge의 각 스위치가 온/오프 모든 스위칭 동작에서 소프트 스위칭이 가능함을 확인하였다. 또한 500[W]급 시작품의 실험을 통하여 시험한 결과 최대 효율 95.53%의 효율을 얻을 수 있었다. 이와 같은 새로운 스위칭 방식의 절연형 Full-Bridge DC/DC 컨버터는 리액터와 커패시터의 감소와 손실저감으로 고품질의 전력변환기 기술개발을 이룰 수 있을 것으로 사료된다.
Buck-type의 스위치와 Synchronous 스위치의 암단락을 방지하기 위하여 2[us]의 데드타임을 추가하였으며, Buck-type의 스위치가 Off가 되면 이로 인해 Full-bridge는 암전압이 0인 영역이 존재하며 이때 Full-bridge의 스위치 전환신호를 발생함으로 Full-bridge 컨버터는 Dead-time이 필요하지 않는 장점이 있다. 또한 시뮬레이션의 결과와 유사함을 알 수 있고 양호한 ZVS 가 이루어짐을 알 수 있다.
이러한 스위칭 방식은 1차측 Full-bridge 컨버터와 직렬로 연결된 Buck 컨버터의 스위치를 사용하여 Full-bridge 암 양단의 전압이 0인 순간에 각 스위치의 상태 변화가 되도록 하는 새로운 개념의 소프트 방식으로서 Buck 컨버터의 리액터와 커패시터 제거를 통하여 시스템의 신뢰성과 전력손실을 저감시켜주는 전력변환 시스템이다. 또한 제안된 절연형 소프트 Full-bridge DC/DC 컨버터의 타당성을 검증하기 위해 Psim을 이용한 시뮬레이션과 500[W]급 DC-DC 컨버터를 제작하여 DC/DC 컨버터의 효율이 우수함을 확인하였다.
그림 7은 Full-bridge 컨버터출력인 변압기 1차측 전압, 전류 및 전류단 필터의 인덕터 전류를 나타내고 있다. 위 시뮬레이션은 Buck 컨버터의 시비율이 0.7인 경우로 Full-bridge 컨버터의 출력전압도 변조비 0.7로 양호하게 나타나며 변압기 1차측 전류는 필터 인덕터 전류에 스위칭에 의한 정부 극성으로 양호하게 나타남을 알 수 있다.
제안된 방식에 대한 타당성 검증을 위해 Psim을 이용한 시뮬레이션을 수행하였으며, 시뮬레이션 결과 Full-bridge의 각 스위치가 온/오프 모든 스위칭 동작에서 소프트 스위칭이 가능함을 확인하였다. 또한 500[W]급 시작품의 실험을 통하여 시험한 결과 최대 효율 95.
본 논문에서는 하드스위칭과 공진형 컨버터의 스위칭 기법의 단점을 보완하기 위해 소프트 스위칭 기법을 이용하여 새로운 절연형 DC-DC 컨버터 토폴로지를 제안하였다. 제안한 컨버터는 앞단의 Buck-type 컨버터를 이용한 Full-bridge 컨버터의 소프트 스위칭을 구현하였으며, 이로 인하여 Full-bridge는 압전압이 zero영역이 존재하며 이 때 Full-bridge 컨버터의 스위치 전환신호를 발생함으로 Full-bridge컨버터의 Dead-time이 필요하지 않는 잠점이 있다.

후속연구

53%의 효율을 얻을 수 있었다. 이와 같은 새로운 스위칭 방식의 절연형 Full-Bridge DC/DC 컨버터는 리액터와 커패시터의 감소와 손실저감으로 고품질의 전력변환기 기술개발을 이룰 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 제안한 소프트 스위칭 기법을 이용하여 새로운 절연형 DC-DC 컨버터 토폴로지의 장점은?	본 논문에서는 하드스위칭과 공진형 컨버터의 스위칭 기법의 단점을 보완하기 위해 소프트 스위칭 기법을 이용하여 새로운 절연형 DC-DC 컨버터 토폴로지를 제안하였다. 제안한 컨버터는 앞단의 Buck-type 컨버터를 이용한 Full-bridge 컨버터의 소프트 스위칭을 구현하였으며, 이로 인하여 Full-bridge는 압전압이 zero영역이 존재하며 이 때 Full-bridge 컨버터의 스위치 전환신호를 발생함으로 Full-bridge컨버터의 Dead-time이 필요하지 않는 잠점이 있다.
	스위칭 주파수가 높아지면?	최근 컨버터의 크기와 무게를 줄이고, 단위 체적당 전력 밀도를 높이기 위하여 스위칭 주파수를 높이려는 연구가 활발히 진행되고 있다[1,2]. 스위칭 주파수가 높아지면 단위 체적당 전력 밀도는 높일 수 있으나 스위칭 손실이 증가 및 EMI(Electro Magnetic Interference) 잡음 또한 증가하기 때문에 전체 시스템의 효율에 큰영향을 끼친다. 특히 하드 스위칭 방식의 PWM 컨버터는 출력제어 성능은 우수하나, 높은 스위칭 스트레 스와 스위칭 주파수에 비례한 스위칭 Losses가 증가하는 단점이 있다.
	DC/DC 전력변환기의 스위칭 방식은 하드 스위칭 방식과 공진을 이용한 소프트 스위칭 방식으로 분류할 수 있는데 각각의 단점은?	일반적인 DC/DC 전력변환기의 스위칭 방식은 하드 스위칭 방식과 공진을 이용한 소프트 스위칭 방식으로 분류할 수 있으며, 하드 스위칭 방식은 스위치의 턴 온/오프시 스위칭 소자에 생기는 전력손실이 커서 효율 면에서 불리하며, 공진형 소프트 스위칭 방식은 별도의 리액터와 커패시터를 추가함으로서 시스템의 사이즈와 비용이 증가하는 단점이 있다. 본 논문에서는 이러한 단점을 극복하기 위해 새로운 스위칭 방식의 소프트 스위칭 방식의 Full-bridge 전력변환기의 구조를 제안하였으며, 제안된 소프트 스위칭 방식은 앞단의 벅 컨버터의 다이오드 전류시 영전압이 되는 구간에서 Full-Bridge 컨버터의 스위치를 교변 함으로써 리액터와 커패시터의 추가없이 소프트 스위칭을 이루어냄으로서 시스템의 효율과 신뢰성을 향상시킨다.

참고문헌 (5)

J.G.Cho, "Zero-voltage and Zero-current-switching full-bridge PWM converter for high power applications", IEEE, Vol. 11, Issue 4, pp. 622-628, 1996, July.
Xiaolin Gao, Raja Ayyanar, "A High-Performance, Intergrated Magnetics Scheme for Buck-Cascaded Push-Pull Converter", IEEE Power Elect., Vol. 2, No.1, pp. 29-33, 2004, March.

상세보기
Jain, M.; Jain, P.K.; Daniele, M, "Analysis of a bi-directional DC-DC converter topology for low power application", IEEE 1997 Canadian Confrerence on, Vol. 2, pp. 548-551, 1997, May 25-28.
C. Gerster, "Fast high-power high-power switch using series-connected IGBT's with active gate-controlled voltage-balancing", in Proc. IEEE APEC'94, pp. 469-472, 1994.
손경종, 송성근, 최준호, 문채주, 김광헌, 임영철 "영전압영전류 스위칭을 이용한 연료전지용 전력변환시스템", 전력전자학회 논문지, 제11권, 제4호, pp. 385-394, 2006, 8.

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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