[논문]고승압비를 갖는 전압 클램프 탭인덕터 부스트 컨버터

강정민; 이상현; 홍성수; 한상규

doi:10.6113/tkpe.2012.17.1.34

[국내논문] 고승압비를 갖는 전압 클램프 탭인덕터 부스트 컨버터
Voltage Clamped Tapped-Inductor Boost Converter with High Voltage Conversion Ratio 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.17 no.1, 2012년, pp.34 - 40

강정민 (Dept. of Elec. Eng., Kookmin University) , 이상현 (Dept. of LCD, Samsung Electronics Co., Ltd.) , 홍성수 (Dept. of Elec. Eng., Kookmin University) , 한상규 (Dept. of Elec. Eng., Kookmin University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, voltage clamped tapped-inductor boost converter with high voltage conversion ratio is proposed. The conventional tapped-inductor boost converter has a serious drawback such as high voltage stresses across all power semiconductors due to the high resonant voltage caused by the leakage inductor of tapped inductor. Therefore, the dissipative snubber is essential for absorbing this resonant voltage, which could degrade the overall power conversion efficiency. To overcome these drawbacks, the proposed converter employs a voltage clamping capacitor instead of the dissipative snubber. Therefore, the voltage stresses of all power semiconductors are not only clamped as the output voltage but the power conversion efficiency can also be considerably improved. Moreover, since the energy stored in the clamp capacitor is transferred to the output side together with the input energy, the proposed converter can achieve the higher voltage conversion ratio than the conventional tapped-inductor boost converter. Therefore, the proposed converter is expected to be well suited to various applications demanding the high efficiency and high voltage conversion ratio. To confirm the validity of the proposed circuit, the theoretical analysis and experimental results of the proposed converter are presented.

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문제 정의

. 따라서 본 논문에서는 이러한 기존 회로의 문제점을 해결하는 새로운 방식의 탭인덕 터 컨버터를 제 안하고, 이를 이론 및 실험적으로 검증한다.
본 논문에서는 LED 백라이트용 전원장치와 같이 높은 승압비를 요구하는 응용 례에 적합한 높은 승압비를 갖는 전압클램프 탭인덕터 부스트 컨버터를 제안하였다.

가설 설정

동작모드 해석과 입출력 전압 변환비 관계 유도에 앞서, 해석의 편의를 위해 다음을 가정한다.
- 스위치 온-오프 시 과도구간은 고려하지 않는다.

제안 방법

. 상기한 바와 같이 일반적인 부스트 컨버터의 경우 보통 승압비 3 이상을 얻기가 쉽지 않으므로 좀 더 높은 승압비를 얻기 위해 기존에는 부스트 컨버터의 입력 인덕터를 트랜스포머 형태로 대체한 탭인덕터 부스트 컨버터를 많이 사용해 오고 있으며, 다음 절에서 기존 탭인덕터 부스트 컨버터의 특징에 대해 자세히 고찰해 보도록 한다.
그림 4는 제안된 전압클램프 탭인덕터 부스트 컨버터를 보이고 있다. 제안된 회로는 기존 컨버터에 전압 클램핑용 캐패시터와 이를 충전하기 위한 전류 경로를 생성해 주는 다이오드를 추가한 구조이다.
모의실험은 PSIM tool을 사용하였으며, 주요 파라미터 값은 표 1과 같다. 해석과 수식의 확인을 위해 개방-루프로 구현하였다.

대상 데이터

다음은 본 논문에서 제안된 LED TV용 고승압비 탭 인덕터 부스트 컨버터의 타당성을 검증하기 위한 시작품 제작 및 실험 결과이다. 제작품 주요 사양은 입력전압 24[V_DC], 출력전압 120[V_DC], 출력전류 560[mA]이며, 변압기 턴 비는 15:30, 자화 인덕턴스는 95.1[uH], 누설 인덕턴스는 1.7[uH]이다. 실험에 사용된 주요 소자는 표 2에 명시하였다.
손실 스너버를 사용한 기존 전압클램프 탭인덕터 회로와 제안된 탭인덕터 회로의 효율을 비교한 데이터는표 3에 나타내었으며, 측정 장비는 YOKOGAWA WT16000을 사용하였다. 입력전압과 출력전압, 인덕터등 모두 동일한 조건을 적용하였을 때, 기존 탭인덕터 회로는 86[%] 수준의 효율을 나타내었고 제안된 회로는 92[%] 수준으로, 제안된 회로에서 손실스너버 미사용으로 효율 개선이 가능함을 확인할 수 있다.

이론/모형

그림 7은 본 논문에서 제안된 전압클램프 탭인덕터 부스트 컨버터의 모의실험을 나타내고 있다. 모의실험은 PSIM tool을 사용하였으며, 주요 파라미터 값은 표 1과 같다. 해석과 수식의 확인을 위해 개방-루프로 구현하였다.

성능/효과

식 (11)에 나타낸 것과 같이 제안된 회로의 입출력 변환비는 시비율 D와 턴 비인 N에 의존하여 시비율과 턴 비에 따라 높은 전압 변환비를 얻는 장점을 갖는다. 또한 기존 탭인덕터 부스트 컨버터와 제안된 전압 클램프 탭인덕터 부스트 컨버터의 입출력 변환비를 비교해 보면, 시비율 D는 항상 1보다 작으므로 제안회로의 입출력 변환비가 더 높다는 것을 알 수 있다. 따라서 모든 조건에서 제안된 전압클램프 탭인덕터 부스트 컨버터의 입출력 변환비가 기존 회로의 입출력 변환비에 비해 더높은 것을 확인하였다.
또한 기존 탭인덕터 부스트 컨버터와 제안된 전압 클램프 탭인덕터 부스트 컨버터의 입출력 변환비를 비교해 보면, 시비율 D는 항상 1보다 작으므로 제안회로의 입출력 변환비가 더 높다는 것을 알 수 있다. 따라서 모든 조건에서 제안된 전압클램프 탭인덕터 부스트 컨버터의 입출력 변환비가 기존 회로의 입출력 변환비에 비해 더높은 것을 확인하였다.
또한, 앞서 3.2절에서 제안된 전압클램프 탭인덕터 부스트 컨버터는 기존 탭인덕터 부스트 컨버터에 비해 더높은 입출력 승압비를 갖는 것을 확인하였다. 이는 24V 입력으로 120V 이상의 LED 백라이트를 구동해야 하는 경우와 같이, 3배 이상의 높은 승압비가 요구되는 응용 예에 매우 적합할 것으로 사료된다.
3[V]이다. 네번째 파형은 출력 다이오드의 양단 전압을 나타내며, 전압 스트레스는 325.3[V]로 주요 반도체 소자가 비교적 높은 전압 스트레스를 가짐을 알 수 있다. 이것은 누설 인덕턴스와 기생 캐패시터 간의 공진으로 손실스너버의 사용이 요구되며, 스너버를 사용함에 따른 효율 저하가 예상된다.
기존 회로와 마찬가지로 105[kHz]로 동작하며, 시비율은 약 40[%]이다. 두 번째 파형은 주 스위치 양단전압이며, 스위치 오프 시 출력전압 레벨인 약 120[V]로 클램핑 됨을 알 수 있다. 네 번째 파형과 다섯 번째 파형은 각각 클램핑 다이오드와 출력 다이오드의 양단 전압이며, 스위치 온-오프 시 출력전압인 약 120[V]로 클램핑 되어, 손실스너버 없이도 전압 클램프가 가능함을 확인하였다.
두 번째 파형은 주 스위치 양단전압이며, 스위치 오프 시 출력전압 레벨인 약 120[V]로 클램핑 됨을 알 수 있다. 네 번째 파형과 다섯 번째 파형은 각각 클램핑 다이오드와 출력 다이오드의 양단 전압이며, 스위치 온-오프 시 출력전압인 약 120[V]로 클램핑 되어, 손실스너버 없이도 전압 클램프가 가능함을 확인하였다.
손실 스너버를 사용한 기존 전압클램프 탭인덕터 회로와 제안된 탭인덕터 회로의 효율을 비교한 데이터는표 3에 나타내었으며, 측정 장비는 YOKOGAWA WT16000을 사용하였다. 입력전압과 출력전압, 인덕터등 모두 동일한 조건을 적용하였을 때, 기존 탭인덕터 회로는 86[%] 수준의 효율을 나타내었고 제안된 회로는 92[%] 수준으로, 제안된 회로에서 손실스너버 미사용으로 효율 개선이 가능함을 확인할 수 있다.
한편, 제안된 회로의 경우 이론적으로 고찰된 바와 같이 실제 실험을 통해 측정된 결과에서도 그림 11과 같이 기존 회로의 입출력 변환비에 비해 제안된 회로의 입출력 변환비가 항상 높으며, 이는 제안된 회로가 LED 백라이트 등 높은 승압비를 요구하는 응용례에 적합함을 알 수 있다.
기존 탭인덕터 부스트 컨버터의 경우 높은 입출력 변환비를 얻기 위해 부스트 컨버터의 인덕터를 탭인덕터로 대체한 형태이며, 스위치 온-오프 시, 주요 반도체소자에 과도한 전압 스트레스가 발생하여 손실 스너버의 사용이 필수적이며, 이로 인해 발열 및 효율 저하의단점을 가진다. 반면 제안된 컨버터의 경우 손실스너버없이도 각 반도체 소자의 전압을 출력 전압으로 클램프할 수 있어 모든 전력 반도체 소자의 전압 스트레스를 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 손실스너버를 사용하지 않으므로 입출력 전력변환 효율을 5[%]이상 대폭 상승 시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 클램프 캐패시터에 저장된 에너지가 powering 시 입력에너지와 함께 출력 측으로 전달되므로 기존대비 약 125[%] 정도로 높은 입출력 전압비를 갖는 장점이 있다.

후속연구

따라서 본 논문에서 제안된 회로는 LED 백라이트와 같은 디스플레이 장치 뿐만 아니라, 고 승압비가 필요한 다양한 응용분야에 매우 적합하게 적용될 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED Array의 직렬개수를 늘리게 되면 어떤 효과가 있는가?	실제로 LED 백라이트 전원의 고효율화를 위해서는 LED 구동 전류가 작아야 하며, 이를 위해서는 출력단의 LED Array의 병렬 개수를 줄이는 대신에 직렬 개수를 늘려야 한다. 직렬 개수를 늘리게 되면, 각 LED Array의 채널 당 흐르는 구동 전류는 줄어들게 되어 도통손실 및 스위칭 손실을 저감하게 되는 효과가 있다. 따라서, LED 구동 전류를 줄이기 위해서는 구동 전압이 높아져야 하며, 이에 적합한 토폴로지로 대표적인 승압형 컨버터인 부스트 컨버터가 있다[2].
	기존 탭인덕터 부스트 컨버터의 단점은?	전압 스트레스를 갖는 장점이 있다. 그러나 스위치 온시 출력 다이오드에는 Vo+NVin 만큼의 전압이 인가되므로, 일반 부스트 컨버터에 비해 높은 내압의 반도체 소자가 사용되어야 한다. 또한, 스위치 온-오프 시, 탭인덕터의 누설 인덕턴스와 기생 캐패시턴스의 공진이 발생 하게 되어 손실스너버의 사용이 필수적이므로 효율이 저하되는 단점이 있다[5]-[6].
	LED 백라이트 전원의 고효율화를 위해서 필요한 것은?	따라서 LED 백라이트 구동에 필요한 전원장치의 고용량, 고효율, 소형화 추세가 이루어지고 있는 실정이다[1]. 실제로 LED 백라이트 전원의 고효율화를 위해서는 LED 구동 전류가 작아야 하며, 이를 위해서는 출력단의 LED Array의 병렬 개수를 줄이는 대신에 직렬 개수를 늘려야 한다. 직렬 개수를 늘리게 되면, 각 LED Array의 채널 당 흐르는 구동 전류는 줄어들게 되어 도통손실 및 스위칭 손실을 저감하게 되는 효과가 있다.

참고문헌 (7)

손호인, 김창선, 김대년, "슬림형 LCD TV의 LED 백라이트 구동용 평판형 트랜스포머를 적용한 LLC 공진컨버터에 관한 연구", 전력전자학회 논문지, 제15권, 제4호, pp. 319-326, 2010, Aug.

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T.J. Liang, KC Tseng. "Analysis of Integrated Boost-Flyback Step-up Converter", IEEE Proc. Electr. Power Applications, Vol. 152, No. 2, pp. 217-225, 2005, March.

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Rong-Jong Wai, Member, IEEE, Rou-Yong Duan, "High Step-up Converter With Coupled-Inductor", IEEE Trans. Power Electron., Vol. 20, No. 5, pp. 1025-1035, 2005, September.

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Josef P. Fohringer, Felix A. Himmelstoss, "Analysis of a boost converter with tapped inductor and reduced voltage stress across the buffer capacitor", IEEE Ind. technology, pp. 126-131, 2006, Dec.
M. M. Jovanovic and Y. Jang, "A new soft-switched boost converter with isolated active snubber," IEEE Trans. Power Electron., Vol. 17, No. 1, pp. 1-7, 2002, Jan.

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N. Vazquez, L. Estrada, C. Hernandez and E. Rodriguez, "The Tapped-Inductor Boost Converter", IEEE Ind. Electronics, pp. 538-543, 2007, June.
K.C. Tseng and T.J. Liang, "Novel high-efficiency step-up converter", IEEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 151, No. 2, pp. 182-190, 2004, March.

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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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