[논문]인터리브드 소프트 스위칭 부스트 컨버터의 입출력 리플 분석

정두용; 지용혁; 김영렬; 정용채; 원충연

doi:10.6113/tkpe.2012.17.2.182

인터리브드 소프트 스위칭 부스트 컨버터의 입출력 리플 분석
Input/Output Ripple Analysis of Interleaved Soft Switching Boost Converter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.17 no.2, 2012년, pp.182 - 189

정두용 (School of Info. and Comm. Eng., Sungkyunkwan University) , 지용혁 (School of Info. and Comm. Eng., Sungkyunkwan University) , 김영렬 (Dept. of Electric. & Electron. Eng., Anyang University) , 정용채 (Dept. of Electronic Engineering, Namseoul University) , 원충연 (School of Information and Comm. Eng., Sungkyunkwan University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the input current and output voltage ripple of the soft switching interleaved boost converter was analyzed. Ripples of input current and output voltage with an interleaved method is analysed and as a result, the facts that it has lower ripple current than conventional interleaved method is verified. it means that a capacity of a main inductor can be reduced. Besides, a low capacitance of capacitor which means high lifetime and confidence can be used because of reducing ripples of output voltage. In order to verify the validity of the proposed converter used 10uF film capacitor, experiment was performed, and the efficiency of the proposed converter was measured with variable load and duty conditions.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 인터리브드 방식의 공진형 소프트 스위칭 부스트컨버터를 제안하였다. 단일 스위치를 사용한 1.

가설 설정

1. 모든 스위칭 소자와 수동소자는 이상적이다.
2. 모든 스위칭 소자와 성분의 기생성분들은 무시한다.
3. 모드분석에서의 수식에서 각각의 모드에서 시작점은 영이라고 가정한다.
다음 모드 분석을 위해, (41)과 같이 t_s에서의 공진인 덕터에 흐르는 전류는 0이 되고 주 인덕터에 흐르는 전류(i_L)는 근사적으로 최대값(I_P)이라 가정한다. 그리고 이때 공진커패시터의 전압을 V₂로 정의한다.

제안 방법

본 논문에서는 1.5kW급 단일 스위치를 사용한 소프트스위칭 부스트 컨버터^[4]를 병렬로 구성하여 인터리빙 기법으로 제어하였고, 출력단에 평활용 커패시터를 10uF의 필름 커패시터만을 사용하여 인터리빙 부스트 컨버터의 리플과 승압비의 연관성을 분석하였다.
소프트 스위칭을 위한 공진모드를 설명하기 위해 제안된 컨버터를 구성하고 있는 단일 부스트 컨버터의 동작원리를 모드별로 나누어 설명하였다. 제안된 소프트스위칭 부스트 컨버터는 동작사항에 따라 11개의 모드로 해석할 수 있다.
표 1은 본 논문에서 분석한 토폴로지의 세부 사양을 나타낸다. 실험은 듀티와 부하 변동에 따른 입출력전류리플과 출력 전압의 리플을 측정하였으며, 순수한 토폴로지 동작특성에서 입출력 리플을 비교하기위해 출력 커패시터는 10[uF]의 필름 커패시터를 사용하였다.
제안된 토폴로지와 일반적인 하드스위칭 컨버터의 인터리빙 동작의 분석을 위해 입출력 리플 분석은 전류연속모드(CCM) 조건에서 수행되었다.
제안한 토폴로지의 정확한 해석을 위해 11개의 모드로 나누어 동작 특성을 분석하였으며, 각 모드별 수학적 해석을 통해 이론적 타당성을 검증하였다. 출력단 평활용 커패시터에 10[uF]의 필름커패시터를 사용하여 듀티 및 부하별 입력 전류와 출력 전압의 리플을 분석하였다. 듀티 0.

데이터처리

5kW급 부스트 컨버터 2개를 병렬 구성하여 인터리브드 방식을 적용하였다. 제안한 토폴로지의 정확한 해석을 위해 11개의 모드로 나누어 동작 특성을 분석하였으며, 각 모드별 수학적 해석을 통해 이론적 타당성을 검증하였다. 출력단 평활용 커패시터에 10[uF]의 필름커패시터를 사용하여 듀티 및 부하별 입력 전류와 출력 전압의 리플을 분석하였다.

이론/모형

본 논문에서는 인터리브드 방식의 공진형 소프트 스위칭 부스트컨버터를 제안하였다. 단일 스위치를 사용한 1.5kW급 부스트 컨버터 2개를 병렬 구성하여 인터리브드 방식을 적용하였다. 제안한 토폴로지의 정확한 해석을 위해 11개의 모드로 나누어 동작 특성을 분석하였으며, 각 모드별 수학적 해석을 통해 이론적 타당성을 검증하였다.

성능/효과

출력단 평활용 커패시터에 10[uF]의 필름커패시터를 사용하여 듀티 및 부하별 입력 전류와 출력 전압의 리플을 분석하였다. 듀티 0.1에서 0.5에서 일반적인 부스트 컨버터보다 입력전류는 전체적으로 감소하였고 출력전압은 동일하거나 오히려 높게 나타났다. 제안된 컨버터는 듀티 0.
4 부근에서 모드 Ⅵ에 스위치 양단의 전압이 다이오드를 통해 출력 전압으로 클램핑 되므로 2배의 승압비를 가진다. 따라서 입력전류는 듀티 0.4 부근에서 0.3 ～ 0.5[A] 로 가장 낮게 측정되었으며, 제안한 컨버터의 인터리빙 기법 제어를 통한 출력단 커패시터 용량감소의 타당성을 검증하였다.
그림 7은 제안한 방식의 출력전압 리플과 동일한 조건에서 일반적인 하드스위칭 인터리브드 부스트 컨버터 100% 부하조건에서의 리플을 나타내고 있다. 제안한 방식의 출력전압 리플이 일반적인 하드스위칭 인터리브드 부스트 컨버터와 비교하여 상대적으로 크게 나타나고 있다. 상기의 이유는 제안된 부스트 컨버터의 출력 전류가 D_out과 D_clamp 전류의 합이며, D_out전류는 기존보다 (1-D)Ts가 짧으므로 작으나 D_clamp의 전류는 C_a에 축적되어 있던 전류가 흘러 출력으로 전달되므로 그 결과 출력으로 전달되는 RMS 전류의 크기는 제안방식이 더 크기 때문이다.
그림 10은 제안하는 컨버터의 듀티에 따른 효율측정 결과를 나타낸다. 측정 결과 제안하는 토폴로지의 최대효율은 듀티 0.1, 90% 조건에서 97.68%를 달성하였으며, 각 듀티별로 100% 정격 부하에서 약 95%～ 97.8%의 효율이 측정되었다.
그림 9는 일반적인 하드스위칭 인터리브드 부스트 컨버터의 동일한 동작조건에서 효율을 나타낸다. 측정 결과 최대효율은 듀티 0.1, 80% 부하조건에서 효율 96.47을 기록하였으며, 각 듀티별로 100% 정격부하에서는 약 93%～95%의 효율이 측정되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	회로의 정상상태 분석을 간략화 하기 위해 스위칭 주기 동안 가정해야될 사항은?	1. 모든 스위칭 소자와 수동소자는 이상적이다. 2. 모든 스위칭 소자와 성분의 기생성분들은 무시한다. 3. 모드분석에서의 수식에서 각각의 모드에서 시작점은 영이라고 가정한다.
	단일 부스트 컨버터는 동작사항에 따라 몇개의 모드로 해석할 수 있는가?	소프트 스위칭을 위한 공진모드를 설명하기 위해 제안된 컨버터를 구성하고 있는 단일 부스트 컨버터의 동작원리를 모드별로 나누어 설명하였다. 제안된 소프트스위칭 부스트 컨버터는 동작사항에 따라 11개의 모드로 해석할 수 있다. 그림 4-1에 제시된 회로의 정상상태 분석을 간략화 하기 위해 스위칭 주기 동안 다음을 가정한다.
	인터리브드 기법을 활용한 컨버터의 장점은?	고효율 및 시스템 수명의 높은 신뢰성 요구에 따라 일반적인 부스트컨버터에서 나타나는 입력전류 리플과 출력전압 리플을 저감하기 위해 인터리브드(Interleaved) 기법을 이용한 DC/DC 컨버터들의 연구가 활발히 진행되고 있다[1-2]. 인터리브드 기법을 활용한 컨버터의 장점으로는 입력전류 및 출력전압의 리플을 저감할 수 있다. 따라서 입/출력단 커패시터용량을 저감 시킬 수 있고 대용량 전해커패시터를 상대적으로 수명에 대한 신뢰성이 높은 소용량 필름커패시터로 교체 할 수 있다[3].

참고문헌 (7)

P-W Lee, Y-S Lee, David K. W. Cheng, X-C Liu, "Stea dy-State Analysis of an Interleaved Boost Converter wit h Coupled Inductors", IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol. 47, No. 4, 2000, August.

상세보기
S. Y. Tseng, J. Z. Shiang, H. H. Chang, W. S. Jwo and C. T. Hsieh, "A Novel Turn-On/Off Snubber for Interlea ved Boost Converter", IEEE38th Annual Power Electroni cs Specialists Conference(PESC'07), pp. 2718-2724, 2007.
X.Kong, A.M.Khambadkone, "Analysis and Implementatio n of a High Efficiency, Interleaved Current - Fed Full Bridge Converter for Fuel Cell System", IEEE P. E. Trans, Vol. 22, No. 2, pp. 543-550, 2007, Mar.

상세보기
Gasperi, M. L, "Life Prediction Model for Aluminum Electrolytic Capacitors", IEEE IAS, pp. 1347-1351, 1996, Oct.
J-H Kim, D-Y Jung, S-H Park, C-Y Won, Y-C Jung, S-W Lee, "High Efficiency Soft-Switching Boost Conve rter Using a Single Switch", Journal of Power Electronics, Vol. 9, No. 6, pp. 929-939, 2009, November.

원문보기 상세보기
M. Veerachary, T. Senjyu, K. Uezato, "Maximum power point tracking of coupled inductor interleaved boost converter supplied PV system", IEE Proceedings Electr. Power Appl., Vol. 150, Issue 1, pp. 71-80, 2003, Jan.

상세보기
P. W. Lee, Y. S. Lee, D. K. Cheng, X. C. Liu, "Steady-state analysis of an interleaved boost converter with coupled inductors", IEEE Trans. Indust. Electr., Vol. 47, Issue 4, pp. 787-795, 2000. Aug.

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