[논문]소프트 스위칭 방식을 적용한 고효율 인터리브드 벅 컨버터

김낙윤; 최현칠

doi:10.6113/tkpe.2014.19.2.116

[국내논문] 소프트 스위칭 방식을 적용한 고효율 인터리브드 벅 컨버터
A New High Efficiency Interleaved Buck Converter with Soft-switching Scheme 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.19 no.2, 2014년, pp.116 - 123

김낙윤 (Dept. of Electronic & Telecommunication Eng., Inje Univ.) , 최현칠 (Dept. of Electronic Engineering, Inje University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a soft-switching scheme for the PWM interleaved buck converter(IBC) is newly proposed to obtain the advantages of both the conventional PWM interleaved buck and resonant converters such as ease of control, reduced switching losses and stresses, and low EMI. To obtain the soft-switching action, the proposed scheme employs an auxiliary circuit, which is added to the conventional interleaved buck converter and used to achieve soft-switching for both the main switches and the output diodes while not incurring any additional losses due to the auxiliary circuit itself. In this paper, the basic operations are discussed and design guidelines are presented. And through the experimental results, the usefulness of the proposed converter is verified.

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문제 정의

본 논문에서는 인터리브드 기법을 적용한 새로운 영전류-영전압 천이형 벅 컨버터를 제안하였다. 본 논문에서 제안한 회로는 고효율 출력이 요구되는 장치에 적합한 인터리브드 방식을 사용하였으며, 주회로 뿐만 아니라 환류 다이오드 및 보조스위치 역시 소프트 스위칭을 함으로써 전체적으로 높은 효율을 기대할 수 있다.

가설 설정

- 모든 스위치는 이상적이다.
- 모든 동작은 정상 상태이며, V_in과 V_o는 일정하다.
- 모든 인덕터의 기생 파라미터는 무시한다.

제안 방법

본 논문에서는 인터리브드 기법을 적용한 새로운 영전류-영전압 천이형 벅 컨버터를 제안하였다. 본 논문에서 제안한 회로는 고효율 출력이 요구되는 장치에 적합한 인터리브드 방식을 사용하였으며, 주회로 뿐만 아니라 환류 다이오드 및 보조스위치 역시 소프트 스위칭을 함으로써 전체적으로 높은 효율을 기대할 수 있다.
본 논문에서는 제안된 회로의 동작원리와 설계방법을 체계적으로 기술하였으며 인터리브드 기법에 의한 장점을 전류 및 전압의 리플분석을 통해 확인하였다. 또한 실험결과를 제시함으로써 제안된 회로의 유용성을 증명하였다.
그림 1은 본 논문에서 제안한 소프트 스위칭 방식을 적용한 인터리브드 벅 컨버터(Interleaved buck converter IBC)의 회로도이다. 제안된 회로는 보조회로를 포함한 PWM방식의 벅 컨버터 두 개가 서로 병렬로 연결되어 있는 형태이다. 각각의 보조회로에는 보조스위치 S_r1,S_r2, 보조인덕터 L_r1,L_r2, 그리고 보조커패시터 C_r1,C_r2로 구성되어 있다.
S_m1,S_m2와 병렬로 연결되어있는 커패시터 C_s1,C_s2는 공진 커패시터로써, 주 스위치가 소프트 스위칭을 하도록 중요한 역할을 한다. 또한 본 논문에서 제안한 벅 컨버터는 인터리브드 방식을 적용하였기 때문에 주 스위치 S_m1,S_m2가 180°위상차를 가지고 턴-온과 턴-오프를 반복한다. 그림에서 알 수 있듯이, 제안된 회로도는 동작 설명을 위해 S_m1,S_r1,C_r1,C_s1,D_m1등을 포함한 부분의 회로와 S _m2,S_r2,C_r2,D_m2등을 포함한 부분의 회로를 각각 CircuitⅠ(회로 1)과 CircuitⅡ(회로 2)로 표시하여 나타내었다.
또한 본 논문에서 제안한 벅 컨버터는 인터리브드 방식을 적용하였기 때문에 주 스위치 S_m1,S_m2가 180°위상차를 가지고 턴-온과 턴-오프를 반복한다. 그림에서 알 수 있듯이, 제안된 회로도는 동작 설명을 위해 S_m1,S_r1,C_r1,C_s1,D_m1등을 포함한 부분의 회로와 S _m2,S_r2,C_r2,D_m2등을 포함한 부분의 회로를 각각 CircuitⅠ(회로 1)과 CircuitⅡ(회로 2)로 표시하여 나타내었다.
따라서 동작원리에 대하여는 간단히 기술하며, 자세한 설명은 단일 ZVT 벅 컨버터 논문을 참조하길 바란다^[15]. 제안한 회로의 동작은 한 주기 동안 16개의 서로 다른 모드로 나눠지며 그림 2에서는 각 모드 별 등가회로를 나타내었다. 동작모드 분석에 앞서 해석의 편의를 위해 다음을 가정한다.
공진구간의 증가로발생되는 손실을 최소화하고 주 스위치의 확실한 영전압 스위칭 동작을 보장하기 위해서는 Sin파의 형상을 가지는 보조전류의 최대치를 wet = /2로 설정하고, 보조전류의 최대치가 1•5Io를 초과하지 않도록 설정한다.
반면에 너무 길면 보조회로의 전도손실 이 증가하게 된다. 따라서 본 논문에서는 이를 고려하여 보조 커패시터의 충전시간을 보조 스위치 바디 다이오 드 역회복 시간의 14배를 확보할 수 있도록 선정하였다. 따라서 C_r1,C_r2는 다음과 같이 유도된다.

대상 데이터

제안된 회로는 보조회로를 포함한 PWM방식의 벅 컨버터 두 개가 서로 병렬로 연결되어 있는 형태이다. 각각의 보조회로에는 보조스위치 S_r1,S_r2, 보조인덕터 L_r1,L_r2, 그리고 보조커패시터 C_r1,C_r2로 구성되어 있다. S_m1,S_m2와 병렬로 연결되어있는 커패시터 C_s1,C_s2는 공진 커패시터로써, 주 스위치가 소프트 스위칭을 하도록 중요한 역할을 한다.

이론/모형

본 논문에서의 전압전달비는 voltage-second-balance(VSB)원리로부터 유도될 수 있다. 주 인덕터에 대하여VSB원리를 적용하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

성능/효과

본 논문에서는 제안된 회로의 동작원리와 설계방법을 체계적으로 기술하였으며 인터리브드 기법에 의한 장점을 전류 및 전압의 리플분석을 통해 확인하였다. 또한 실험결과를 제시함으로써 제안된 회로의 유용성을 증명하였다.
본 논문에서 제안한 회로는 단일 ZVT 벅 컨버터의 응용된 형태이므로, 기본적인 동작원리는 ZVT 벅 컨버터와 매우 유사하다. 따라서 동작원리에 대하여는 간단히 기술하며, 자세한 설명은 단일 ZVT 벅 컨버터 논문을 참조하길 바란다^[15].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 하드 스위칭 방식의 컨버터를 높은 주파수로 동작할 시, 문제점은?	이러한 작고 가벼운 전원장치를 제작하기 위해서는 컨버터를 높은 주파수로 동작시키는 것이 바람직하다. 그러나 기존의 하드 스위칭 방식의 컨버터는 높은 주파수로 동작할시 스위칭 손실로 인하여 효율이 낮아질 뿐만 아니라 스위칭 노이즈, 그리고 스위칭 스트레스와 같은 심각한 문제의 원인이 되기도 한다. 이와 같은 문제들을 해결하기 위하여 그동안 소프트 스위칭 방식을 적용한 회로에 관한 연구가 많이 이루어져 왔다[1]-[2].
	소형·경량화 전원 장치를 제작하기 위해서는?	최근 들어 높은 전력밀도를 가지는 소형·경량화 전원 장치의 수요가 날로 증가하고 있는 추세이다. 이러한 작고 가벼운 전원장치를 제작하기 위해서는 컨버터를 높은 주파수로 동작시키는 것이 바람직하다. 그러나 기존의 하드 스위칭 방식의 컨버터는 높은 주파수로 동작할시 스위칭 손실로 인하여 효율이 낮아질 뿐만 아니라 스위칭 노이즈, 그리고 스위칭 스트레스와 같은 심각한 문제의 원인이 되기도 한다.
	인터리브드기법의 장점은?	이러한 단점을 보완하기 위하여 DC/DC 컨버터를 병렬로 구성한 인터리브드기법과 소프트 스위칭 방식을 함께 적용한 전력 변환 장치가 많이 사용되어 왔다[10]-[14]. 인터리브드 방식은 입력전류의 위상차를 발생시켜 리플의 중첩된 부분을 제거함으로써 전류 및 전압의 리플을 감소시킬 수 있다. 전류 리플의 감소는 입/출력 커패시터와 인덕터의 크기를 줄일 수 있어 시스템의 부피를 줄일 수 있다. 또한 각 스위치에서 감당할 전류의 양이 절반 이상으로 저감되므로 소자의 선정을 용이하게 하여 시스템의 전체 비용을 절감할 수 있다. 이러한 장점으로 인해 인터리브드기법은 컨버터의 소형·경량화와 더불어 고효율이 요구되는 전원장치에 매우 적합하다.

참고문헌 (15)

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원문보기 상세보기
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S. P. Yang, J. L. Lin, and S. J. Chen, "A Novel ZCZVT Forward Converter With Synchronous Rectification," IEEE Trans. Power Electron, Vol. 21, No. 4, pp. 912-922, Jul. 2006.

상세보기
P. W. Lee, Y. S. Lee, K. W. Cheng, and X. C. Liu, "Steady-State Analysis of an Interleaved Boost Converter with Coupled Inductors," IEEE Trans. Industrial Electron, Vol. 47, No. 4, pp. 787-795, Aug. 2000.

상세보기
M. Ilic and D. Masksimovic, "Interleaved Zero Current Transition Buck Converter," IEEE Trans. Industry Applications, Vol. 43, No. 6, pp. 1619-1627, Nov-dec. 2007.

상세보기
C. T. Tsai and C. L. Shen, "Interleaved Soft Switching Buck Converter with Coupled Inductors," IEEE International Conf., pp. 877-882, Nov. 2008.
C. T. Tsai, C. L. Shen, J. C. Su and Y. C. Kuo, "Analysis and Implementation of an Interleaved ZVS Buck Converter with Coupled-Inductors," ICIEA 6th IEEE Conf., pp. 1392-1397, Jun. 2011.
Y. C. Hsieh, Y. J. Chen, C. S. Moo, and H. L. Cheng, "An Interleaved Twin-Buck Converter with Zero Voltage Transition," ICIT International Conference of the IEEE, pp. 1-5, Feb. 2009.
N. Y. Kim and H. C. Choi, "Novel Zero-Voltage-Transition Synchronous Buck Converter for Portable System," Transactions of Korean Institute of Power Electronics, Vol. 17, No. 4, pp. 330-336, Aug. 2012.

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