[논문]새로운 DCM-ZVS DC-DC 컨버터에 관한 연구

곽동걸; 심재선

doi:10.7471/ikeee.2012.16.2.131

새로운 DCM-ZVS DC-DC 컨버터에 관한 연구
A Study on New DCM-ZVS DC-DC Converter 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.16 no.2, 2012년, pp.131 - 137

초록
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본 논문에서는 영전압 스위칭(ZVS)과 전류불연속 모드(DCM)에 의한 새로운 고효율의 DC-DC 컨버터에 대해 연구된다. 일반적으로 고효율의 컨버터를 만들기 위해서는 전력변환기내에 사용된 반도체 스위칭 소자의 손실을 최소화하여 이루어진다. 제안한 컨버터는 DCM에 의하여 스위치의 턴-온 동작을 영전류 스위칭(ZCS)으로 만들고, 또한 새로운 유사공진 회로를 접목하여 컨버터의 고효율을 실현시킨다. 제안한 컨버터에 사용된 제어용 스위칭 소자들은 유사공진 기법에 의해 소프트 스위칭, 즉 ZVS와 ZCS으로 동작시키고, 이에 따른 제어용 스위칭 소자들은 전압과 전류의 스트레스 없이 동작한다. 그 결과 제안한 컨버터는 스위칭 손실의 저감에 의해 고효율로 구동된다. 제안한 DCM-ZVS 컨버터의 소프트 스위칭 동작과 시스템 효율은 디지털 시뮬레이션과 실험결과를 통해 그 타당성이 입증된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is study on a new high efficiency DC-DC converter of discontinuous conduction mode (DCM) with zero voltage switching (ZVS). The converters of high efficiency are generally made that the power loss of the used semiconductor switching devices is minimized. The proposed converter is accomplished that the turn-on operation of switches is on zero current switching (ZCS) by DCM. The converter is also applicable to a new quasi-resonant circuit to achieve high efficiency converter. The control switches using in the converter are operated with soft switching, that is, ZVS and ZCS by quasi-resonant method. The control switches are operated without increasing their voltage and current stresses by the soft switching technology. The result is that the switching loss is very low and the efficiency of the converter is high. The soft switching operation and the system efficiency of the proposed DCM-ZVS converter are verified by digital simulation and experimental results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 새로운 DCM-ZVS DC-DC 컨버터를 제안하여 기존의 승강압용 컨버터와 비교하여 검토하였다. 제안한 컨버터는 유사공진 기법이 적용된 새로운 소프트 스위칭 회로가 설계되어 회로구조와 제어기법이 간단한 이점이 주어졌다.
이를 개선하기위하여 본 논문에서는 DCM 컨버터에 새로운 유사공진 회로를 접목시킨 DCM-ZVS DC-DC 컨버터를 제안한다. 제안한 유사공진 회로는 기존의 컨버터에 사용되는 스너버 회로를 유사공진 회로로 변형 설계한 새로운 무손실 스너버 회로로써, 회로구성이 간단하며 유사공진으로 인한 공진용 소자들의 손실과 스트레스를 감소시킨다.

제안 방법

실험회로 구성은 전력용량 1kW급, DC 100V의 입력전압에 DC 300V의 출력전압으로 설계하였으며, 실험회로에 사용된 소자들의 정수값을 표 2에 나타낸다. 제어스위치의 구동 스위칭 주파수는 40kHz를 기준하여 DSP프로세서에 PWM 데이터 테이블을 작성하여 듀티율 변화에 따른 각부 동작파형들을 측정 검증하였다.
제안한 DCM-ZVS DC-DC 컨버터의 동작특성을 확인하기위해 PSpice로 시뮬레이션을 하였다. 컴퓨터 시뮬레이션에 사용된 회로정수들을 표 1에 나타낸다.
이를 개선하기위하여 본 논문에서는 DCM 컨버터에 새로운 유사공진 회로를 접목시킨 DCM-ZVS DC-DC 컨버터를 제안한다. 제안한 유사공진 회로는 기존의 컨버터에 사용되는 스너버 회로를 유사공진 회로로 변형 설계한 새로운 무손실 스너버 회로로써, 회로구성이 간단하며 유사공진으로 인한 공진용 소자들의 손실과 스트레스를 감소시킨다. 또한 유사공진용으로 이용된 커패시터는 기존의 스너버용 커패시터와 달리 무손실로 동작되어 출력전압을 증대시키는 이점이 주어진다.
의 관계를 나타낸다. 제안한 컨버터가 듀티율 변화에 따른 더욱 상승된 출력전압 분포를 보인다. 이것은 제안한 컨버터에 유사공진용으로 이용된 커패시터 C_r의 축적된 에너지가 유사공진에 의해 손실없이 입력측으로 회생되었기 때문이다[모드 1].
본 논문에서는 새로운 DCM-ZVS DC-DC 컨버터를 제안하여 기존의 승강압용 컨버터와 비교하여 검토하였다. 제안한 컨버터는 유사공진 기법이 적용된 새로운 소프트 스위칭 회로가 설계되어 회로구조와 제어기법이 간단한 이점이 주어졌다. 제안한 컨버터의 유사공진회로는 구조적으로 기존의 컨버터에 사용되는 승강압용 인덕터와 스너버 커패시터를 공진회로로 변형 설계한 새로운 무손실 스너버 회로구조로써 회로구성이 간단하였으며, 사용된 제어용 스위치들의 소프트 스위칭에 의한 컨버터의 효율을 증대시켰다.
제안한 컨버터는 유사공진 기법이 적용된 새로운 소프트 스위칭 회로가 설계되어 회로구조와 제어기법이 간단한 이점이 주어졌다. 제안한 컨버터의 유사공진회로는 구조적으로 기존의 컨버터에 사용되는 승강압용 인덕터와 스너버 커패시터를 공진회로로 변형 설계한 새로운 무손실 스너버 회로구조로써 회로구성이 간단하였으며, 사용된 제어용 스위치들의 소프트 스위칭에 의한 컨버터의 효율을 증대시켰다. 또한 제안한 컨버터의 공진용 소자들은 유사공진에 의해 용량분담과 공진 스트레스가 줄어드는 이점이 주어졌다.
실험회로 구성은 전력용량 1kW급, DC 100V의 입력전압에 DC 300V의 출력전압으로 설계하였으며, 실험회로에 사용된 소자들의 정수값을 표 2에 나타낸다. 제어스위치의 구동 스위칭 주파수는 40kHz를 기준하여 DSP프로세서에 PWM 데이터 테이블을 작성하여 듀티율 변화에 따른 각부 동작파형들을 측정 검증하였다. 그림 6은 제안한 DCM-ZVS DC-DC 컨버터의 실험회로구성 상세도를 보인다.

성능/효과

의 파형을 나타낸다. 그림 7 (a)의 실험파형에서 공진회로는 공진 1주기 동안 지속적으로 이뤄지지 않고 스위치의 턴-온과 턴-오프 시에만 유사공진 동작을 볼 수 있으며, 이러한 동작에 의해 공진소자들의 용량분담과 스트레스를 줄이고, 출력전류가 증가할 경우 공진손실이 감소된다. 그리고 그림 7 (b)에서 제어스위치들은 공진동작에 의해 영전류에서 턴-온되며 영전압에서 턴-오프되는 소프트 스위칭 동작을 보인다.
V-I 특성곡선에서 둘러싸인 면적이 스위칭 손실과 비례하므로 제안한 컨버터의 스위칭 손실이 매우 적음을 알 수 있다. 또한 제안한 컨버터에는 소프트 스위칭을 위한 새로운 유사공진 회로 즉, 무손실 스너버 회로가 설계되어 기존의 컨버터에서 나타나는 스 너버 손실이 없이 소프트 스위칭으로 동작하여 컨버터의 효율을 증대시키는 결과를 가져온다.
또한 제안한 컨버터는 PWM 스위칭제어에 의해 출력전압이 조정되고 승강압용 인덕터에 흐르는 전류는 불연속모드로 제어된다. 그 결과 제안한 컨버터는 소프트 스위칭에 의해 고효율로 동작하고 전류 불연속모드 제어에 의한 제어기법과 제어회로가 간단한 장점이 주어진다.
또한 제안한 컨버터의 공진용 소자들은 유사공진에 의해 용량분담과 공진 스트레스가 줄어드는 이점이 주어졌다. 더욱이 제안한 컨버터에 유사공진용으로 이용된 커패시터의 축적된 에너지는 유사공진에 의해 손실없이 입력측으로 회생되어 기존의 컨버터와 비교하여 더욱 높은 출력전압을 가졌다.
V-I 특성곡선에서 둘러싸인 면적이 스위칭 손실과 비례하므로 제안한 컨버터의 스위칭 손실이 매우 적음을 알 수 있다. 또한 제안한 컨버터에는 소프트 스위칭을 위한 새로운 유사공진 회로 즉, 무손실 스너버 회로가 설계되어 기존의 컨버터에서 나타나는 스 너버 손실이 없이 소프트 스위칭으로 동작하여 컨버터의 효율을 증대시키는 결과를 가져온다.
제안한 컨버터의 유사공진회로는 구조적으로 기존의 컨버터에 사용되는 승강압용 인덕터와 스너버 커패시터를 공진회로로 변형 설계한 새로운 무손실 스너버 회로구조로써 회로구성이 간단하였으며, 사용된 제어용 스위치들의 소프트 스위칭에 의한 컨버터의 효율을 증대시켰다. 또한 제안한 컨버터의 공진용 소자들은 유사공진에 의해 용량분담과 공진 스트레스가 줄어드는 이점이 주어졌다. 더욱이 제안한 컨버터에 유사공진용으로 이용된 커패시터의 축적된 에너지는 유사공진에 의해 손실없이 입력측으로 회생되어 기존의 컨버터와 비교하여 더욱 높은 출력전압을 가졌다.
이상의 시뮬레이션 결과파형에서 공진회로는 공진 1주기 동안 지속적으로 이루어지지 않고 스위치의 턴온과 턴-오프 시점에서 부분적인 공진동작, 즉 유사 공진 동작을 볼 수 있다. 이러한 동작에 의해 공진소자들의 용량분담과 스트레스를 줄인다.
이상의 실험파형들은 스위칭 주파수 40[kHz], 듀티율 30[%]에 대한 앞서의 시뮬레이션 결과와 잘 일치한다. 또한 유사공진용으로 이용된 스너버 커패시터 Cr의 용량변화에 대한 출력전압 V_cd의 변화를 그림 8 (a)에 나타내며, 승강압용으로 이용된 공진 인덕터 L_r의 용량변화에 대한 출력전압 V_cd의 변화를 그림 8 (b)에 나타낸다.
그림 10은 제안한 컨버터와 기존의 컨버터의 효율측정 비교를 나타낸다. 제안한 컨버터는 기존의 컨버터와 비교하여 사용된 제어스위치의 소프트 스위칭에 의한 턴-온과 턴-오프 손실이 크게 줄어 효율이 상당히 개선되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스위칭 모드 전력변환 회로에서 중요한 부분을 차지하는 것은 무엇인가?	직류전원은 전기, 전자 및 통신기기 등의 산업용에서 가정용에 이르기까지 폭넓은 분야에서 이용되고 있다. 특히 전력변환을 취급하는 스위칭 모드 전력변환 회로에서는 DC-DC 컨버터가 중요한 부분을 차지한다. 그리고 최근 친환경 신재생에너지 개발에 많은 관심을 보이고 있으며, 연료전지나 태양전지 발전시스템에 많은 연구개발이 이뤄진다[1, 2].
	스너버 회로를 사용하여 스위치를 보호하는 방식의 단점을 극복하고자 어떤 방식들이 연구되었나?	이를 보완하기위해 스위치 양단에 그림 1과 같이 스너버(snubber) 회로를 사용하여 스위치를 보호하지만 상당한 스너버 손실에 의한 컨버터의 효율을 감소 시키는 요인이 된다. 최근 이를 개선하기위해 소프트 스위칭 즉, ZVS 또는 ZCS로 스위치를 동작시키는 회로 토폴로지들이 많이 연구된다[5]-[7]. 그 결과 전력변환기는 스위칭 손실이 감소되어 변환기 효율을 증대시킨다.
	전류불연속 모드 컨버터의 장점은 무엇인가?	전류불연속 모드 컨버터의 경우 전류연속 모드와 비교하여 승압율의 한계는 주어지나 제어회로 구성이 간단하고 듀티율 일정제어가 가능하여 제어기법이 용이한 장점들이 주어진다. 특히 DCM 컨버터는 사용된 제어용 스위치의 턴-온 동작이 영전류에서 스위칭되어 스위치의 턴-온 손실이 없는 특징이 있다.

참고문헌 (8)

K. Kobayashi, H.Matsuo, and Y. Sekine, "An Excellent Operating Point Tracker of the Solar-Cell Power Supply System", IEEE Trans. on IE, Vol. 53, No. 2, pp. 495-499, 2005.

상세보기
A. E. Farrell, D. W. Keith, and J. J. Corbett, "A strategy for Introducing Hydrogen into Transportation", Energy Policy 31, pp. 1357-1367, 2003.

상세보기
D. Sadarnac, W. Abida, and C. Karimi, "The Double Discontinuous Mode Operation of a Converter : A method for soft switching", IEEE Trans. on PE, Vol. 19, No. 2, pp. 453-460, 2004.
K. S. Leung, and S. H. Chung, "A comparative study of boundary control with first and second-order switching surfaces for buck converters operating in DCM", IEEE Trans. on PE, Vol 22, No. 4, pp. 1196-1209, 2007.
D. K. Kwak, "A Study on Novel Step Up-Down DC/ DC Chopper of Isolated Type with High Efficiency", Journal of IKEEE, Vol. 13, No. 4, pp. 424-430, 2009.
K. Nishimura, K. Hirachi, E. Hiraki, N. A. Ahmed, H. W. Lee, and M. Nakaoka, "Advanced Three-Phase PFC Power Converter with Three-Phase Diode Rectifier and Four-Switch Boost Chopper", Journal of Power Electronics, Vol. 6, No. 4, pp. 356-365, 2006.
Y. Jang, M. Jovanovic, D. L. Dillman, "Soft-Switched PFC Boost Rectifier With Integrated ZVS Two-Switch Forward Converter", IEEE Trans. on PE, Vol. 21, No. 6, pp. 1600-1606, 2006.
I. Barbi, R. Gules, R. Redl and N. O. Sokal, "DC-DC Converter: 4 Switch VpkVin/2, Capacitive Turn-Off Snubbing, ZV Turn-On", IEEE Trans. on PE, Vol. 19, No. 4, pp. 918-927, 2004.

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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