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문제 정의
- 본 논문에서는 이와 같은 문제점을 보완하고자 소프트 스위칭 형태의 보조 회로를 이용한 인터리브드 벅컨버터를 제안한다. 제안한 컨버터의 보조 회로는 전체 동작 구간에 비해 비교적 짧은 작동시간을 가짐으로 추가적인 전도손실을 최소화 할 수 있다.
- 본 논문에서는 소프트 스위칭 형태의 보조 회로를 이용한 인터리브드 벅 컨버터를 제안하였다. 제안한 회로는 기존의 인터리브드 벅 컨버터에 보조 회로가 첨가된 형태이다.
- 따라서 본 논문에서 제안한 인터리브드 벅 컨버터는 높은 전력밀도와 효율이 요구되는 전원공급 장치 설계에 매우 유용하리라 여겨진다. 본 논문에서는 제안한 회로의 동작원리와 함께 설계방법에 대하여 상세히 기술하였다. 아울러 설계방법에 근거하여 200kHz, 180W급 컨버터를 설계하여 실험 결과를 제시하였으며, 이를 이론적인 결과와 비교함으로써 제안한 회로의 유용성을 입증하였다.
제안 방법
- 제안한 회로의 동작은 매 스위칭 주기 동안에 12개의 동작 모드로 나누어지며 주 스위치 Sm1, Sm2가 180° 위상차를 가지고 온/오프 된다.
- 그림 1은 제안한 인터리브드 벅 컨버터의 회로도를 나타낸다. 제안한 회로는 두 개의 모듈 A와 B가 공통부 하에 대해서 병렬로 연결된 형태이다. 모듈 A는 주 스위치 Sm1, 스너버 커패시터 Cs1, 환류 다이오드 D1, 주인덕터 Lm1, 보조 스위치 Sr1, 보조 인덕터 Lr1, 그리고 보조 다이오드 Dr1으로 구성되어 있다.
- 앞서 언급했듯이 본 논문에서 제안한 회로의 동작은 정상상태에서 입력-대-출력전압 비 Vo/Vs에 따라 크게 ZCT 모드와 ZCZVT 모드의 두 가지 동작으로 나눌 수 있다. ZCT 모드 동작은Vo/Vs < 0.
- 제안한 회로의 동작원리로부터 알 수 있듯이 주 스위치 Sm1, Sm2의 ZCT 조건은 주 스위치가 켜지기 직전에 출력전압을 이용하여 보조 회로의 인덕터 Lr1, Lr2를 통해 흐르는 전류를 증가시킴으로써 이루어진다. 이를 위해 제안한 회로는 연속동작 모드(Continuous conduction mode : CCM)로 동작 하여야 한다. 따라서 연속동작을 위한 부하조건이 만족된다면 본 제안된 회로를 통하여 높은 효율을 기대 할 수 있다.
- ≈ 30ns)을 환류 다이오드로 사용하였다. 이를 바탕으로 보조 회로에서의 전도손실과 역회복 전류량을 효과적으로 줄이기 위해 환류 다이오드가 턴-오프 되는 시간이 역회복 시간의 6배 이내가 되도록 보조 인덕터를 설계하였다.
- 이를 고려하여 본 논문에서는 전류 iLr1, iLr2의 첨두값이 6/5 ⋅(Io , max/2)를 초과하지 않도록 Cs1, Cs2 값을 선정하였다.
- 그림에서 알 수 있듯이 주인덕터 Lm1, Lm2는 180°의 위상차로 동작하여 출력 리플 전류가 주 인덕터 리플 전류의 약 1/2배로 감소됨을 알 수 있다. 이로써 제안한 회로는 기존 인터리브드 방식의 장점과 더불어 스위칭시에 발생하는 손실을 최소화하는 이점을 모두 가지게 된다.
- 본 논문에서는 소프트 스위칭 형태의 보조 회로를 이용한 인터리브드 벅 컨버터를 제안하였다. 제안한 회로는 기존의 인터리브드 벅 컨버터에 보조 회로가 첨가된 형태이다. 보조 회로의 동작은 소프트 스위칭을 이루기 위해 짧은 구간동안 동작하므로 전반적인 동작은 기존의 인터리브드 벅 컨버터와 유사하다.
- 보조 회로의 동작은 소프트 스위칭을 이루기 위해 짧은 구간동안 동작하므로 전반적인 동작은 기존의 인터리브드 벅 컨버터와 유사하다. 따라서 제안한 회로는 기존 인터리브드 방식 컨버터의 장점과 더불어 스위칭시에 발생하는 손실을 최소화하는 이점을 모두 가지게 된다. 또한, 보조 회로의 스위칭 동작에도 부가적인 손실이 발생하지 않으며 동작시간이 짧아 전도손실을 최소화 할 수 있다.
대상 데이터
- 제안한 회로는 두 개의 모듈 A와 B가 공통부 하에 대해서 병렬로 연결된 형태이다. 모듈 A는 주 스위치 Sm1, 스너버 커패시터 Cs1, 환류 다이오드 D1, 주인덕터 Lm1, 보조 스위치 Sr1, 보조 인덕터 Lr1, 그리고 보조 다이오드 Dr1으로 구성되어 있다. 모듈 B는 주 스위치 Sm2, 스너버 커패시터 Cs2, 환류 다이오드 D2, 주인덕터 Lm2, 보조 스위치 Sr2, 보조 인덕터 Lr2, 그리고 보조 다이오드 Dr2로 구성되어 있으며 모듈 A와 대칭적 구조이다.
- 본 논문에서는 역회복 시간이 빠른 샤트키 다이오드 MBR1060(trr ≈ 30ns)을 환류 다이오드로 사용하였다.
- 제안된 인터리브드 벅 컨버터의 유용성을 증명하기 위하여 3장에서 제시한 설계사양을 적용하여 180W급 컨버터를 제작하여 실험하였다.
이론/모형
- 본 논문에서 제안한 인터리브드 벅 컨버터의 전압전달비는 전압-시간 곱 평형(Voltage-second balance)원리로부터 유도할 수 있다. 주 인덕터 Lm1에 대해서 전압-시간 곱 평형원리를 적용하면 다음의 수식과 같이 나타낼 수 있다.
성능/효과
- 본 논문에서는 이와 같은 문제점을 보완하고자 소프트 스위칭 형태의 보조 회로를 이용한 인터리브드 벅컨버터를 제안한다. 제안한 컨버터의 보조 회로는 전체 동작 구간에 비해 비교적 짧은 작동시간을 가짐으로 추가적인 전도손실을 최소화 할 수 있다. 아울러 제안한 회로는 인터리브드 방식에 의한 낮은 출력 리플 전류뿐만 아니라 주 회로의 스위치와 다이오드 그리고 보조 스위치의 소프트 스위칭으로 인해 높은 효율을 얻을 수 있다.
- 제안한 컨버터의 보조 회로는 전체 동작 구간에 비해 비교적 짧은 작동시간을 가짐으로 추가적인 전도손실을 최소화 할 수 있다. 아울러 제안한 회로는 인터리브드 방식에 의한 낮은 출력 리플 전류뿐만 아니라 주 회로의 스위치와 다이오드 그리고 보조 스위치의 소프트 스위칭으로 인해 높은 효율을 얻을 수 있다. 본 논문에서는 제안한 회로의 동작을 검증하기 위해 동작원리와 보조 회로의 설계과정을 자세히 기술하였으며 180W급 컨버터를 제작하여 실험 결과를 통해 타당성을 입증하였다.
- 아울러 제안한 회로는 인터리브드 방식에 의한 낮은 출력 리플 전류뿐만 아니라 주 회로의 스위치와 다이오드 그리고 보조 스위치의 소프트 스위칭으로 인해 높은 효율을 얻을 수 있다. 본 논문에서는 제안한 회로의 동작을 검증하기 위해 동작원리와 보조 회로의 설계과정을 자세히 기술하였으며 180W급 컨버터를 제작하여 실험 결과를 통해 타당성을 입증하였다.
- 그러나 제안한 회로는 환류 다이오드를 통해 흐르는 전류 기울기를 제안함으로써 환류 다이오드 역회복 시간 선정에 그리 엄격하지 않아도 된다. 제안한 회로의 동작원리로부터 알 수 있듯이 주 스위치 Sm1, Sm2의 ZCT 조건은 주 스위치가 켜지기 직전에 출력전압을 이용하여 보조 회로의 인덕터 Lr1, Lr2를 통해 흐르는 전류를 증가시킴으로써 이루어진다. 이를 위해 제안한 회로는 연속동작 모드(Continuous conduction mode : CCM)로 동작 하여야 한다.
- 따라서 본 실험에 적용된 입력-대 -출력 전압 비 Vo/Vs≥ 0.5 조건하에서, 주 스위치 Sm1, Sm2가 ZCT로 턴-온 되기 직전에 이미 양단전압이 0까지 떨어져 ZVT 조건을 만족시키는 것을 파형을 통해 알 수 있다.
- 5일 때의 모듈 A, B 의 전체 동작파형을 나타낸다. 이들 결과파형으로부터 제안된 회로의 동작이 이론적인 분석과 일치함을 알 수 있으며, 보조 회로를 사용함으로써 모듈 A, B의 주 스위치와 환류다이오드에서 소프트 스위칭이 이루어짐을 알 수 있다.
- vSm1과 iS1 그리고 vSm2와 iS2 파형을 비교해보면 주스위치 Sm1, Sm2가 턴-온과 턴-오프시에 소프트 스위칭이 이루어짐을 확인할 수 있다. 특히, Lr1에 저장되었던 에너지가 Cs1을 통하여 입력 측으로 전달됨으로써 주스위치 Sm1의 양단전압이 Vs- 2Vo로 낮아진다.
- 이는 보조 회로의 인덕터 Lr1, Lr2에 의하여 각각의 환류 다이오드 전류 기울기가 제한되기 때문에 얻게 되는 이점이다. 본 논문에서 제안된 회로가 가지는 또 다른 장점은 주 스위치뿐만 아니라 보조 스위치 역시 턴-온과 턴-오프시에 ZCT 조건을 만족한다는 점이다. 이는 그림 5(a), (b)의 결과 파형으로부터 쉽게 알 수 있다.
- 이는 Vo = 30V 에 대하여, 출력 전력값에 따른 효율변화를 측정한 결과이다. 이 결과를 통해 제안한 회로가 소프트 스위칭을 적용하지 않은 인터리브드 벅 컨버터에 비하여 여러 부하조건에서도 높은 효율을 유지함을 알 수 있다. 제안된 회로는 효율뿐만 아니라 소프트 스위칭 방식으로 동작하기 때문에 EMI 잡음 측면에서도 유리하며 보조 회로에서의 부가적인 손실 또한 존재하지 않는다.
- 본 논문에서는 제안한 회로의 동작원리와 함께 설계방법에 대하여 상세히 기술하였다. 아울러 설계방법에 근거하여 200kHz, 180W급 컨버터를 설계하여 실험 결과를 제시하였으며, 이를 이론적인 결과와 비교함으로써 제안한 회로의 유용성을 입증하였다.
후속연구
- 이러한 ZCZVT 모드 동작설명으로부터, 본 논문에서 제안한 회로는 Vo/Vs ≥ 0.5 조건이 요구되는 전원장치 설계에 활용함으로써 보다 높은 효율 및 신뢰성 향상을 기대할 수 있다.
- 이를 위해 제안한 회로는 연속동작 모드(Continuous conduction mode : CCM)로 동작 하여야 한다. 따라서 연속동작을 위한 부하조건이 만족된다면 본 제안된 회로를 통하여 높은 효율을 기대 할 수 있다. 본 장에서는 설계 시에 고려해야 할 사항과 더불어 보조 회로의 각 부품 값을 결정하는 방법을 예를 들어가면서 설명하도록 한다.
- 따라서 본 논문에서 제안한 인터리브드 벅 컨버터는 높은 전력밀도와 효율이 요구되는 전원공급 장치 설계에 매우 유용하리라 여겨진다. 본 논문에서는 제안한 회로의 동작원리와 함께 설계방법에 대하여 상세히 기술하였다.
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